[發明專利]一種高容量高循環效率的硅基/石墨烯納米帶復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010295615.7
• 申請日: 2020-04-15
• 公開（公告）號: CN111533115B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 李新祿;姚叢;王榮華
• 申請（專利權）人: 重慶錦添翼新能源科技有限公司;惠州市金龍羽電纜實業發展有限公司
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;C01B32/184;C01B33/02;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 符繼超

本發明公開了一種高容量高循環效率的硅基/石墨烯納米帶復合材料及其制備方法，屬于化學電源技術領域。本發明的復合材料包括以下質量百分比的組分：硅基材料10?98％，石墨烯納米帶1?89％，鋰元素1?10％；本發明將硅基材料經過表面活性劑處理使之帶上正電的靜電荷，接著將處理后的硅基材料和石墨烯納米帶通過攪拌混合，經收集干燥高溫處理后得到復合材料；再將得到的復合材料直接與鋰片機械接觸，通過調節外部施加壓力和施壓時間實現可控預鋰化。本發明具有工藝簡單，操作方便的特點，并且本發明制備得到的硅基/石墨烯納米帶復合材料比容量高，首次庫倫效率高，循環壽命長，倍率性能強，可應用于高比能的鋰離子電池。

技術領域

本發明涉及化學電源鋰離子電池技術領域，更具體的說是涉及一種預鋰化高容量高循環效率的硅基/石墨烯納米帶復合材料及其制備方法。

背景技術

電動汽車的迅猛發展對鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求，但是目前商用的動力電池由于電極材料低的比容量，導致電池能量密度偏低，限制了電動汽車的續航里程。尤其是鋰離子電池石墨負極，理論比容量僅為372mAh/g，極大地限制了電池的能量密度，因此亟需研發一種新興的負極材料來提高電池的能量密度。

硅負極材料因為高的理論比容量(4200mAh/g)，具備明顯的優勢，而且在地殼元素中儲量豐富，成本低、環境友好，是最具潛力的下一代鋰離子電池負極材料；但是與此同時其缺點也很突出，大的體積膨脹效應，差的導電性，充放電循環中易發生粉化限制了硅基材料的商業化應用。因此，解決硅基材料的缺點對新能源產業的發展具有重大的意義。

石墨烯納米帶作為準一維帶狀石墨烯，不僅具有導電性好、比表面積大、纖薄等優良性能，而且由于其準一維的結構，因而具有很好的柔韌性以及水溶性，能夠柔性相互纏繞成三維網絡結構且形成自支撐多孔薄膜，從而更加有利于電子或離子的傳輸與存儲。

目前硅碳復合材料的制備方法通常是將單質硅、天然石墨或人造石墨和高分子聚合物等含碳前驅體經過多步高溫炭化處理后制得。現有鋰離子電池硅碳負極材料及其制備方法，如申請號201911176477.4的“一種鋰離子電池用高性能硅碳-石墨復合負極材料的制備方法”，公開的制備方法是：將有機碳源溶解于溶劑中，再加入納米硅顆粒混合均勻，在上述混合物中加入鱗片石墨進行連續真空-高壓浸漬反應、真空干燥后，得到硅碳復合材料前驅體；將硅碳復合材料前驅體進行球化，再經過表面固相包覆，最終經過燒結篩分制得目標產物。但是此技術路線存在的主要缺點是：①工藝復雜，設備繁多，實際操作困難，不利于規模化生產，多次高溫燒結能耗大，部分有機溶劑對環境不友好；②復合材料的首次庫倫效率較低；③復合材料的比容量相比石墨有所改善，但仍偏低；④碳材料和硅材料的結合力較差，在充放電循環過程中碳材料與硅基材料產生縫隙，致使容量快速衰減。

因此，如何提供一種工藝簡單、操作方面并且電化學性能優異的硅基/石墨烯納米帶復合材料及其制備方法是本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

本發明的目的是針對現有硅碳復合材料制備工藝復雜且成本高以及充放電性能不足的現象，提供一種高容量高循環效率的硅基/石墨烯納米帶復合材料及其制備方法，具有工藝簡單、操作方便、生產成本低、生產安全性好等優點，便于推廣應用，有利于實現大規模化生產；另外采用本發明方法制備出的預鋰化硅基/石墨烯納米帶復合材料具有比容量高，首次庫倫效率高，循環壽命長，倍率性能高等特點，無需摻加粘結劑即可形成自支撐多孔薄膜，適用于高比能鋰離子電池負極材料。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種高容量高循環效率的硅基/石墨烯納米帶復合材料，所述復合材料包括以下質量百分比的組分：

硅基材料 10-98％

石墨烯納米帶 1-89％

鋰元素 1-10％