[發明專利]一種石墨烯包覆硅復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810122380.4
• 申請日: 2018-02-07
• 公開（公告）號: CN108461721B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 方岳平;蔡欣;趙忠強;周訓富
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 羅嘯秋

本發明屬于鋰離子電池負極材料領域，公開了一種石墨烯包覆硅復合材料及其制備方法和應用。所述制備方法包括如下制備步驟：將氧化石墨在去離子水中超聲剝離分散形成氧化石墨烯懸浮液；將Si粉與Zn粉混合后球磨并分散在去離子水中得到Si@Zn顆粒混合液；將Si@Zn顆粒混合液與氧化石墨烯懸浮液混合，常溫下攪拌反應得到Si@ZnO_x@RGO，然后用酸浸泡除去ZnO_x，洗滌烘干得到Si@RGO復合材料。本發明所得Si@RGO復合材料在抑制硅的體積變化的同時還能增加復合材料的導電性，具有優良的循環穩定性與倍率放電性能。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料領域，具體涉及一種石墨烯包覆硅復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

進入21世紀，能源短缺和環境污染問題日趨嚴重，各種高能電池和燃料電池的開發利用迫在眉睫。與其他二次電池相比，鋰離子電池具有單位比容量大、工作電壓高、循環壽命長、安全性好、無記憶效應等優點。但是目前的鋰離子電池技術還不能滿足持續增長的能量密度需求，如純電動車和混合電動車等，這就迫切需求研發出更高能量密度、更高功率的電池以滿足當前需求。目前商業化的鋰離子電池負極材料主要采用石墨材料，但石墨存在著比容量低(理論比容量為372mAh/g)、首次充放電效率低、電解液共嵌入等問題，這極大地限制了高性能鋰離子電池的進一步發展，因此需要開發新型高效材料來替代石墨負極，如錫基材料、硅基材料、金屬化合物和新型合金材料等。

硅作為鋰離子電池負極材料的最大優勢在于其突出的理論比容量(4200mAh/g)且天然儲量豐富。但是，硅材料在鋰離子脫嵌鋰過程中會發生巨大的體積膨脹(300％)，硅相內部產生很強的伸縮應力，導致電極材料粉化，使得活性物質和集流體之間的電接觸下降，最終導致容量和循環壽命迅速衰減，從而在很大程度上阻礙了硅基材料的商業化應用。目前，對于高容量硅負極材料的改性主要包括納米化、合金化、表面改性、摻雜、復合等方法形成包覆結構或高度分散的復合體系，通過提高材料的力學性能、結構完整性以及導電性能等，以緩解脫嵌-嵌入鋰離子過程中體積膨脹產生的內應力對材料結構的破壞，從而提高硅負極的電化學循環穩定性和倍率性能。作為一種二維單原子層厚度的碳原子晶體，石墨烯材料因優異的導電性、熱傳導性、化學/熱穩定性、力學性能和高比表面積等優點廣受學術界與工業界的關注。因此，將石墨烯與硅進行合理復合，機械穩定的石墨烯能夠有效抑制硅的體積膨脹，同時改善復合材料的導電性，從而增強復合材料的循環穩定性和電化學性能(Wang,B,et al.,Adv.Mater.2013,25,3560)。