[發明專利]石墨烯基硅碳復合材料及其制備方法和用途及電池

有效

• 申請號: 202010345831.8
• 申請日: 2020-04-27
• 公開（公告）號: CN111498829B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 郝胐;王文閣;王俊美;袁偉;李金來
• 申請（專利權）人: 新奧石墨烯技術有限公司
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B32/182;C01B33/02;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京中博世達專利商標代理有限公司 11274
• 代理人: 楊帆

本發明提供了一種石墨烯基硅碳復合材料及其制備方法和用途及電池。該石墨烯基硅碳復合材料的制備方法包括:將有機羧酸鹽、強堿弱酸鹽、硅顆粒和帶正電荷的石墨烯分散在水中，得到石墨烯?硅分散液；將石墨烯?硅分散液進行噴霧干燥，得到石墨烯?硅前體；將石墨烯?硅前體在惰性環境中焙燒，得到石墨烯基硅碳復合材料。上述石墨烯基硅碳復合材料由石墨烯基硅碳復合材料的制備方法制得。上述電池包括石墨烯基硅碳復合材料。上述石墨烯基硅碳復合材料用于制備電池。

技術領域

本發明涉及電池技術領域，尤其涉及一種石墨烯基硅碳復合材料及其制備方法和用途及電池。

背景技術

隨著人們對電動汽車續航里程要求的不斷提高，以石墨類負極材料已經無法滿足動力電池日益提高的比能量的需求，人們迫切需要一種更高容量的負極材料。

而在眾多高容量負極材料中，硅材料具有超高的比容量(理論容量4200mAh/g)使得硅材料被視為最有潛力的電池負極材料。但是，硅作為電極材料在電池中應用時還不得不面對一個非常棘手的問題：電池充放電的過程中，鋰離子反復脫嵌會使得硅材料產生非常大的體積膨脹，體積膨脹率甚至達到300％。這不僅會破壞硅材料自身的顆粒結構，還會對電極的粘結劑和導電劑網絡產生破壞，嚴重破壞電池電極的循環性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種石墨烯基硅碳復合材料及其制備方法和用途及電池，可以提高含有硅材料的電極的結構穩定性，保證電池的循環性能。

為了實現上述目的，本發明提供了一種石墨烯基硅碳復合材料的制備方法。上述石墨烯基硅碳復合材料的制備方法包括：

步驟1）：將有機羧酸鹽、強堿弱酸鹽、硅顆粒、可選的碳源和帶正電荷的石墨烯分散在水中，使得所述有機羧酸鹽和所述強堿弱酸鹽水解后發生縮合反應，形成混合凝膠交聯劑包裹在硅顆粒表面，同時混合凝膠交聯劑與帶正電荷的石墨烯通過靜電反應組裝在一起，形成石墨烯-硅分散液；

步驟2）：將所述石墨烯-硅分散液進行噴霧干燥，得到石墨烯-硅前體；

步驟3）：將所述石墨烯-硅前體在惰性環境中焙燒，使所述混合凝膠交聯劑碳化，得到石墨烯基硅碳復合材料。

與現有技術相比，本發明實施例提供的石墨烯基硅碳復合材料的制備方法中，有機羧酸鹽與水混合能夠發生水解反應，得到有機羧酸。強堿弱酸鹽與水混合能夠發生水解反應，在水中形成弱酸氫根離子。而有機羧酸和弱酸氫根離子能夠脫水縮合，從而使得水解后的機羧酸鹽和強堿弱酸鹽能夠發生脫水縮合反應形成三維網狀結構的混合凝膠交聯劑包裹在硅材料表面。同時混合凝膠交聯劑表面未發生脫水縮合反應的弱酸氫根離子能夠與帶正電的石墨烯通過靜電反應組裝在一起，得到石墨烯-硅分散液。

而由于帶正電荷的石墨烯和包裹有混合凝膠交聯劑的硅顆粒通過靜電反應組裝在一起，使得石墨烯與硅顆粒之間具有較好的結合強度，因此，將石墨烯-硅前體在惰性環境下進行燒結后，所獲得的石墨烯基硅碳復合材料所含有的硅和石墨烯的結合比較緊密，使得石墨烯基硅碳復合材料具有良好的結構強度，可見，當石墨烯基硅碳復合材料應用于電池電極時，石墨烯基硅碳復合材料可以提高電極的結構穩定性，降低電極結構坍塌和電極材料剝落的發生機率，從而提高電池循環性能。

同時，混合凝膠交聯劑在焙燒的過程中發生碳化，會在硅顆粒表面形成薄層碳層，一方面可以為硅顆粒的膨脹提供了足夠的體積空間，減小硅顆粒膨脹對電極導電網絡破壞，進一步保證電池的循環性能。另一方面可以使得相鄰的石墨烯片層被硅顆粒隔開的區域自身形成良好的導電連接，可以保證石墨烯基硅碳復合材料具有良好的導電性能。

本發明還提供了一種石墨烯基硅碳復合材料。該石墨烯基硅碳復合材料由上述石墨烯基硅碳復合材料的制備方法制備得到。

與現有技術相比，本發明提供的石墨烯基硅碳復合材料的有益效果與上述石墨烯基硅碳復合材料的制備方法的有益效果相同，再次不做贅述。