[發明專利]一種以微晶石墨為碳源制備石墨烯/硅碳復合材料在鋰離子電池的應用

在審

• 申請號: 201711412197.X
• 申請日: 2017-12-23
• 公開（公告）號: CN108565404A
• 公開（公告）日: 2018-09-21
• 發明（設計）人: 林榮銓
• 申請（專利權）人: 林榮銓
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/04;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 任重;馮振寧

本發明公開了一種以微晶石墨為碳源制備石墨烯/硅碳復合材料在鋰離子電池的應用，將沉積有石墨烯/硅碳復合材料的銅箔用沖頭沖成極片，在充滿氬氣的手套箱中，以鋰片為對電極，隔膜是聚丙烯微孔膜，電解液是體積比1:1的碳酸二甲酯（DMC）和碳酸亞乙酯（EC）混合1 mol L?1的六氟磷鋰（LiPF6），組裝成電池。使用沉積有石墨烯/硅碳復合材料的銅箔制備得到的鋰離子電池具有可逆容量大、容量可設計、循環性能和大電流放電能力好、振實密度高的特點。

技術領域

本發明屬于復合材料的制備技術領域，更具體的，涉及一種以微晶石墨為碳源制備石墨烯/硅碳復合材料在鋰離子電池的應用。

背景技術

鋰離子電池由于具有比能量大，工作電壓高，安全性好，環境污染小等優點，在各種便攜式電子設備，電動汽車和新能源存儲等領域有廣闊的應用前景。一般說來，負極材料作為鋰離子電池儲鋰的主體，在充放電過程中實現鋰離子的嵌入和脫出，是提高鋰離子電池比容量，循環性，充放電等相關性能的關鍵。目前商業化的負極材料主要是以石墨為主的傳統碳材料，而石墨理論的比容量只有372mAh/g，這很大程度上限制了鋰離子電池總比容量的進一步提高。因此，發展新型的具有高比容量的負極材料十分緊迫。

硅被認為是最有潛力的新一代高容量鋰離子電池負極材料，與傳統的石墨負極材料相比，硅具有極高的質量比容量（4200mAh/g）是天然石墨的十多倍。硅在合金材料中的堆積密度與鋰相近，因此硅還具有很高的體積比容量; 不同于石墨類材料，硅的高比容量源于硅鋰的合金化過程，因而硅負極材料不會與電解液發生溶劑共嵌入，進而對電解液的適用范圍更廣; 相比于炭材料，硅有更高的脫嵌鋰電位，可有效避免大倍率充放電過程中鋰的析出，能夠提高電池的安全性。但由于硅的體積膨脹，在充放電過程中會使其結構被破壞，使活性材料從集流體上脫落，且不斷形成不可逆電解質膜，最終導致硅負極材料低的可逆容量、差的循環穩定性和倍率性能。硅碳復合納米結構是抑制體積膨脹一種非常有效的途徑。這主要是因為碳材料導電性能良好、體積變化小。硅材料被包覆以后，可增強材料的導電性能，避免硅納米顆粒之間的團聚以及材料的膨脹，從而增長循環壽命，提高倍率性能。

石墨烯作為一種新型碳納米材料，由單層sp2碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀結構。研究表明，石墨烯具有優異的電學、力學性能，高的理論比表面積，這些特性決定了其在鋰離子電池領域的巨大應用潛力，已有不少研究者開展了利用石墨烯復合來改善鋰離子電極材料電化學性能的研究。因此，制備硅碳復合納米結構鋰離子電池負極材料具有良好的經濟效益和廣闊的市場前景。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的是提供一種以微晶石墨為碳源制備石墨烯/硅碳復合材料在鋰離子電池的應用。

本發明的目的通過以下技術方案予以實現：

一種以微晶石墨為碳源制備石墨烯/硅碳復合材料在鋰離子電池的應用，將沉積有石墨烯/硅碳復合材料的銅箔用沖頭沖成極片，在充滿氬氣的手套箱中，以鋰片為對電極，隔膜是聚丙烯微孔膜，電解液是體積比1:1的碳酸二甲酯（DMC）和碳酸亞乙酯（EC）混合1 molL-1的六氟磷鋰（LiPF6），組裝成電池；

其中，沉積有石墨烯/硅碳復合材料的銅箔的制備方法如下：

S1.將0.5～5μm經提純后含碳量不小于99%的微晶石墨粉末與1～10mg/mL氧化石墨烯分散液按體積比1:1~2混合均勻得混合溶液；

S2.按石墨微粉質量的1wt％往混合溶液中加入分散劑，然后進行超聲分散處理形成懸浮液，加入三口燒瓶，置于超聲霧化器上進行超聲霧化，頻率為20000Hz，時間為30min，形成混合霧珠；

S3.將步驟S2中三口燒瓶的一個口用橡膠塞密封，一個口接入惰性氣體，另一個口連接管式爐，經過超聲霧化后的混合霧珠，在惰性氣體的保護下通入管式爐中進行氣相沉積，所述氣相沉積在預先水平放置在管式爐中的銅箔基體上進行，在400℃下沉積1h后，關閉超聲霧化器；