[發(fā)明專利]一種納米硅-石墨烯氣凝膠多孔復(fù)合材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910071359.0
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109904415A
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姜婷婷;湯方琪;周盈科
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

本發(fā)明涉及一種納米硅?石墨烯氣凝膠多孔復(fù)合材料及其制備方法。其技術(shù)方案是：將溶劑加入到石墨烯氧化物溶液中，攪拌，得到濃度為2.0～6.0Kg/m³的溶液Ⅰ；再按納米硅顆?！檬┭趸锏馁|(zhì)量比為1∶0.05～0.20，向所述溶液Ⅰ中加入納米硅顆粒，超聲處理，得溶液Ⅱ。將溶液Ⅱ移到反應(yīng)釜中，在170～190℃溶劑熱反應(yīng)6～10小時，洗滌，冷凍，于?70～?60℃條件下干燥24～48小時，然后置于管式爐中，在保護氣氛和500～700℃保溫2～4小時，隨爐冷卻，制得納米硅?石墨烯氣凝膠多孔復(fù)合材料。本發(fā)明具有工藝簡單、操作方便和易于工業(yè)化生產(chǎn)的特點，所制制品的孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)性能優(yōu)良和電化學充放電性能優(yōu)異。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米硅-石墨烯負極材料技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種納米硅-石墨烯氣凝膠多孔復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

環(huán)境污染與能源危機等問題日益成為全球關(guān)注的熱點，新能源的開發(fā)成為目前重要的研究方向之一。太陽能、核能、海洋潮汐能、風能和生物質(zhì)能等新型清潔能源具有不連續(xù)性和不穩(wěn)定性等特點，化學能源可以實現(xiàn)化學能與電能之間的轉(zhuǎn)化和存儲，在日常生活和生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量高、工作溫度范圍寬、放電平穩(wěn)、體積小和質(zhì)量輕等優(yōu)點，在便攜式電子設(shè)備、電動汽車和儲能等領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。然而目前規(guī)?；a(chǎn)的鋰離子電池普遍存在比容量較低、循環(huán)性能較差、倍率性能不佳等問題，其中電極材料是限制其性能提升的主要瓶頸。目前商業(yè)化鋰離子電池負極材料以石墨類為主，但因其理論比容量較低(372mA h/g)，嵌鋰電位接近金屬鋰，快速或低溫下充放電易發(fā)生“析鋰”現(xiàn)象而引發(fā)安全隱患，無法滿足高能動力型鋰離子電池的發(fā)展需求。因此，開發(fā)高比容量的鋰離子電池負極材料很有必要，其中合金類材料(如硅基材料)受到廣泛關(guān)注。

鋰與硅反應(yīng)可形成多種嵌鋰化合物(如Li₁₂Si₁₇、Li_l3Si₁₄、Li₇Si₃、Li₂₂Si₅等)，理論比容量高達4200mAh/g，同時硅具有放電電位相對較低、儲量豐富和環(huán)境相容性好等優(yōu)點。但硅負極材料在脫嵌鋰過程中有著較為嚴重的體積效應(yīng)(～300％)，會導致活性材料粉碎、電極結(jié)構(gòu)坍塌和難以形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)相界面膜(SEI膜)，導致容量迅速衰減，同時較低的載流子輸運性質(zhì)也導致倍率性能較差。硅負極材料的改性方法主要有碳包覆、納米化、合金化或采用多孔結(jié)構(gòu)等。其中，碳包覆和制備多孔負極材料能夠顯著改善硅材料的電化學性能，受到研究人員的廣泛重視。

目前，碳包覆通常采用無定形碳，如“一種鋰離子電池硅碳負極材料的制備方法”(CN107634208A)專利技術(shù)，其使用的無定形碳層對復(fù)合材料導電性提升有限，且碳層不均勻易造成孔隙堵塞。石墨烯作為二維納米碳材料，具有更好的導電性能、更薄的導電包覆層、更大的比表面積，能夠改善硅材料固有的在充放電過程中體積變化劇烈、電導率低等問題。如“石墨烯/硅/碳納米管復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用”(CN105576203A)專利技術(shù)，將得石墨烯、硅和碳納米管使用物理方式混合制備成復(fù)合材料應(yīng)用于鋰離子電池負極材料，具有容量高、效率高和循環(huán)性能好等特性。改專利將三者原料制備成石墨烯/硅/碳納米管復(fù)合材料并沒有形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的在于提供一種工藝簡單、操作方便和易于工業(yè)化生產(chǎn)的納米硅-石墨烯氣凝膠多孔復(fù)合材料的制備方法，用該方法制備的納米硅-石墨烯氣凝膠多孔復(fù)合材料的孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電化學充放電性能和循環(huán)性能優(yōu)異。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的具體步驟是：

1)按照濃度為2.0～6.0Kg/m³，將溶劑加入到石墨烯氧化物溶液中，攪拌1～2小時，即得溶液Ⅰ。