[發(fā)明專(zhuān)利]一種炭籠式硅-石墨復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910935278.0
• 申請(qǐng)日: 2019-09-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110697702B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉鵬;楊尚澤;祝欣怡;李曉露;梁江;段克勤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 長(zhǎng)沙理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/22
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/22;C01B32/21;C01B32/05;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62
• 代理公司: 長(zhǎng)沙朕揚(yáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 43213
• 代理人: 劉向丹

本發(fā)明公開(kāi)了一種炭籠式硅?石墨復(fù)合材料及其制備方法，將石墨進(jìn)行插層和氧化處理；將處理后的石墨和納米級(jí)硅粉在分散劑存在下進(jìn)行攪拌分散，得到硅?石墨復(fù)合材料的懸浮液；在懸浮液中加入蔗糖和酸，使蔗糖在酸催化下水解，然后干燥；將干燥后的產(chǎn)物在惰性氣氛下進(jìn)行煅燒炭化，在硅?石墨復(fù)合材料外包覆無(wú)定形炭層，得到炭籠式硅?石墨復(fù)合材料。該方法制備的炭籠式硅?石墨復(fù)合材料具有高比容量及良好的循環(huán)穩(wěn)定性，利用表面處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了石墨和硅的結(jié)合，并通過(guò)一種簡(jiǎn)單的炭包覆方法對(duì)硅的體積膨脹問(wèn)題進(jìn)行了有效的控制，改善了傳統(tǒng)的商業(yè)石墨電極材料比容量較低的缺點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種炭籠式硅-石墨復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

我國(guó)是世界上石墨儲(chǔ)量最豐富的國(guó)家，也是第一生產(chǎn)大國(guó)和出口大國(guó)，在世界石墨行業(yè)中占有重要地位。石墨材料具有良好的導(dǎo)電性，高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。但石墨的比容量只有372mA h g^-1。而且石墨負(fù)極材料電位低，容易造成析鋰；與電解液兼容性差；離子遷移速率慢，所以充放電倍率較低；層狀結(jié)構(gòu)的石墨在鋰離子插入和脫嵌的過(guò)程中會(huì)發(fā)生約10％的形變，影響電池的循環(huán)壽命。而硅的電壓平臺(tái)比石墨高了一點(diǎn)，這樣的好處就是充電時(shí)候析鋰的可能性不大，安全性能上，較石墨有很大的優(yōu)勢(shì)。

硅是地殼中豐度最高的元素之一，來(lái)源廣泛，價(jià)格便宜。硅的比容量為4200mAh g^-1，大約為石墨的十倍。但是硅基材料一直存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：體積膨脹效應(yīng)。在電池充放電過(guò)程中隨著鋰離子的嵌入和脫出，硅的體積膨脹效應(yīng)達(dá)到297％，體積膨脹造成材料結(jié)構(gòu)的破壞和機(jī)械粉化，導(dǎo)致電極材料間及電極材料與集流體的分離，進(jìn)而失去電接觸，致使容量迅速衰減，循環(huán)性能惡化。由于劇烈的體積效應(yīng)，硅表面的SEI膜往復(fù)的崩塌和形成，持續(xù)的消耗鋰離子，增加了電極的不可逆容量，并進(jìn)一步影響循環(huán)性能。

大多數(shù)研究人員采用不同的工藝以炭包覆的方法解決硅的體積膨脹問(wèn)題，通過(guò)一系列的工藝去合成不同結(jié)構(gòu)的炭包覆硅的材料，雖然硅的體積膨脹問(wèn)題得到了有效的解決，但工藝步驟過(guò)于復(fù)雜，不利于商業(yè)化應(yīng)用，而且由于電極負(fù)載不足和有限的能量密度而進(jìn)入瓶頸。

硅-石墨復(fù)合材料存在的主要問(wèn)題是石墨與硅的界面結(jié)合不牢固，很難充分發(fā)揮協(xié)同儲(chǔ)鋰效應(yīng)。石墨有限的表面積也導(dǎo)致硅在石墨上的負(fù)載量有限，制備的電極材料不能達(dá)到理想的比容量。而且在低負(fù)載高能量密度的條件下石墨很容易在循環(huán)過(guò)程中發(fā)生變形，影響電極材料的循環(huán)性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服以上背景技術(shù)中提到的不足和缺陷，提供一種炭籠式硅-石墨復(fù)合材料及其制備方法，以抑制硅的體積膨脹效應(yīng)，提高比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種炭籠式硅-石墨復(fù)合材料的制備方法，包括下述的步驟：

S1.將石墨進(jìn)行插層和氧化處理；

S2.將經(jīng)S1處理后的石墨和納米級(jí)硅粉在分散劑存在下進(jìn)行攪拌分散，得到硅-石墨復(fù)合材料的懸浮液；

S3.在S2得到的懸浮液中加入蔗糖和酸，使蔗糖在酸催化下水解，然后干燥；

S4.將S3干燥后的產(chǎn)物在惰性氣氛下進(jìn)行煅燒炭化，在硅-石墨復(fù)合材料外包覆無(wú)定形炭層，得到炭籠式硅-石墨復(fù)合材料。

進(jìn)一步的，S1先采用濃硫酸或濃硫酸和磷酸的混合液進(jìn)行插層處理，然后用高錳酸鉀溶液進(jìn)行插層處理，最后用雙氧水進(jìn)行氧化處理。

進(jìn)一步的，所述濃硫酸的質(zhì)量百分濃度為95％～98％。

進(jìn)一步的，用所述高錳酸鉀溶液處理3～4h，用所述雙氧水處理2～3h。

進(jìn)一步的，S2中先將S1處理后的石墨用水洗滌到中性后再加入納米級(jí)硅粉。