[發明專利]一種石墨烯/碳包覆硅基負極及其制備方法

在審

• 申請號: 202010734729.7
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN114005965A
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 崔日俊;李國敏
• 申請（專利權）人: 深圳格林德能源集團有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/182
• 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: 崔自京

本發明公開了一種石墨烯/碳包覆硅基負極及其制備方法，所述的硅基負極包括硅基材料、硅基材料表面包覆的無定型碳及石墨烯，所述的制備方法包括聚多巴胺包覆硅基材料的制備、氧化石墨烯/聚多巴胺包覆硅基材料的制備及高溫處理。本發明有效地實現石墨烯對硅基材料的均勻包覆，有效地抑制硅基材料體積膨脹效應，提高材料的電子電導率及鋰離子電池的長期循環性能，同時本發明的制備方法簡單方便，易于實現規模化、產業化。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及到一種石墨烯/碳包覆硅基負極及其制備方法。

背景技術

大幅度提高鋰離子電池的能量密度是便攜式電子產品、電動汽車和規模儲能等新技術領域的迫切需求。硅因具有4200mAh/g的理論儲鋰容量，被認為是下一代鋰離子電池的理想負極。但硅在與鋰的合金化反應過程中，涉及巨大的體積膨脹（300%）導致材料粉化、活性顆粒電接觸不良以及膜持續形成等問題，嚴重影響了桂負極的循環穩定性。針對上述問題，研究者采取了多種措施，如納米化、多孔化和薄膜化。雖然這些措施在一定程度上減小了硅的體積膨脹，改善了桂負極的循環性能，但與實際應用要求相比，硅負極的長期循環穩定性還有待提高。

碳包覆是目前最直接且最有效改善硅循環穩定性的方法之一。眾多碳基質材料中，石墨烯不僅能夠有效提高材料的電子導電能力，加速電極反應的進行，而柔性的石墨烯片層能有效抑制顆粒在嵌鋰過程中的體積膨脹，提高材料循環穩定性。然而，硅基負極與石墨烯片層表面同為負電性，兩者相斥使得制備石墨烯均勻包覆硅基負極難度加大。目前制備石墨烯均勻包覆硅基負極復合材料的制備方法主要集屮在機械混合、化學氣相沉積法、濕化學法等。硅基負極與石墨烯通過機械球磨等方法進行物理混合，無法解決二者相斥的問題，且機械球磨容易導致顆粒嚴重團聚，進一步降低循環穩定性。化學氣相沉積法能夠在硅基負極表面原位生長石墨烯片層，二者復合效果較好。但此方法的設備成本較高且成本較低，不適合規模化生產。因此需要一種有效地且易于規模化的生產方法制備石墨烯均勻包覆硅基負極材料，已抑制硅基材料的體積膨脹效應，提高材料的電子導電能力，提高鋰離子電池的長期循環性能。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種石墨烯/碳包覆硅基負極及其制備方法，旨在抑制硅基材料的體積膨脹效應，提高材料的電子導電能力，提高鋰離子電池的長期循環性能。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種石墨烯/碳包覆硅基負極及其制備方法，所述的硅基負極包括硅基材料、硅基材料表面包覆的無定型碳及石墨烯，所述的制備方法包括以下步驟：

S1：將鹽酸多巴胺溶液加至反應釜中，然后邊加入硅基材料至反應釜邊攪拌，待攪拌均勻后調節溶液pH值至8.5，繼續攪拌10~24h，清洗數次，烘干得到聚多巴胺包覆硅基材料；

S2：將氧化石墨烯分散至去離子水中制備得到氧化石墨烯分散液，將聚多巴胺包覆硅基材料加至氧化石墨烯分散液中，升高溫度至40~80℃，攪拌5~12h，用去離子水清洗數次，得到氧化石墨烯/聚多巴胺包覆硅基材料；

S3：將氧化石墨烯/聚多巴胺包覆硅基材料置于管式爐中，以一定的升溫速率升至一定溫度，保持1~5h即可得到石墨烯/碳包覆硅基負極。

所述的硅基材料選自氧化亞硅、硅納米顆粒、硅納米線中的一種或多種。進一步地，所述的硅基材料選自氧化亞硅。

所述的鹽酸多巴胺溶液的濃度為1~5g/L。進一步地，所述的鹽酸多巴胺溶液的濃度為2~4g/L。

所述的鹽酸多巴胺與硅基材料的的質量比為0.1~1:1。進一步地，所述的鹽酸多巴胺與硅基材料的的質量比為0.5~1:1。

所述的氧化石墨烯的濃度為0.1~2g/L。進一步地，所述的氧化石墨烯的濃度為0.5~2g/L。

所述的管式爐升溫速率為2~5℃/min。進一步地，所述的管式爐升溫速率為3~5℃/min。