[發明專利]一種硅摻雜的石墨烯復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202011637262.0
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112803018B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 余海軍;彭挺;謝英豪;張學梅
• 申請（專利權）人: 廣東邦普循環科技有限公司;湖南邦普循環科技有限公司;湖南邦普汽車循環有限公司
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M4/38;H01M10/0525;C01B32/194
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 左恒峰

本發明屬于電池材料領域，公開了一種硅摻雜的石墨烯復合材料及其制備方法和應用，該硅摻雜的石墨烯復合材料，包括硅和石墨烯；硅摻雜在石墨烯中。本發明的硅摻雜的石墨烯復合材料具有優異的充放電容量和結構穩定性；硅摻雜的石墨烯復合材料是在石墨烯結構的基礎上，硅原子取代石墨烯二維網狀結構的碳原子。本發明的硅摻雜的石墨烯復合材料具有類似于石墨材料層狀結構，卻又優于其他石墨烯材料的充放電容量，這得益于硅摻雜位置構筑了更多的嵌鋰位點。

技術領域

本發明涉及電池材料領域，尤其是涉及一種硅摻雜的石墨烯復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長和環境污染少等優點，成為世界各國研究的重點，并且在電腦、手機和其他便攜式電子設備中得到了廣泛應用。然而，隨著電動汽車和先進電子設備的快速發展，對鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求。如何提高鋰離子電池的能量密度，關鍵在于電極材料的改善和性能的提高。目前商用鋰離子電池的負極材料以石墨類材料為主，由于其理論比容量較低(比容量只有372mAh/g)，且倍率性能不佳。因此，科學家們致力于研究新型的高容量負極材料，硅由于具有很高的理論比容量(4200mAh/g)而備受關注，其脫嵌鋰電壓平臺低(0.5V)，與電解液反應活性低，在地殼中儲量豐富，而且價格低廉，作為鋰離子電池負極材料，具有廣泛的發展前景。然而，硅在脫嵌鋰過程中體積發生巨大的變化(300％)，導致活性物質在充放電循環過程中發生急劇粉化脫落，使得電極活性物質和集流體之間喪失電接觸。同時，由于硅材料的巨大體積膨脹，使得固體電解質界面膜在電解液中無法穩定地存在，導致循環壽命降低和容量損失。此外，硅的低電導性，嚴重限制了其容量的充分利用和硅電極材料的倍率性能。目前，解決這些問題的方法包括：納米化、復合化和其他方法。納米化和硅碳復合技術是科學家們的研究重點，且取得了顯著的進步，提高了硅負極材料的循環性能和倍率性能。

硅基材料由于其理論比容量高，可作為鋰離子電池負極材料，但是在充放電過程中存在巨大的體積效應，導電率低和循環壽命不理想等缺點，阻礙了其商業化應用，但是不可否認該材料具有很大的應用前景。最大程度降低首次不可逆容量，緩解材料的體積膨脹，從而改善倍率和循環性能是科學家研究的重點。

發明內容

本發明旨在至少解決上述現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明提供一種硅摻雜的石墨烯復合材料及其制備方法和應用，該硅摻雜的石墨烯復合材料具有優異的充放電容量和結構穩定性，硅摻雜的石墨烯復合材料是在石墨烯結構的基礎上，硅原子取代石墨烯二維網狀結構的碳原子。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種硅摻雜的石墨烯復合材料，包括硅和石墨烯；所述硅摻雜在石墨烯中(即在每層石墨烯中，有部分的碳被硅取代，硅與每層石墨烯中的其他碳通過硅碳鍵連接)。

優選地，所述硅摻雜的石墨烯復合材料中硅與碳的摩爾比為1：(10-120)。

進一步優選地，所述硅摻雜的石墨烯復合材料中硅與碳的摩爾比為1：(20-100)。

一種硅摻雜的石墨烯復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將所述石墨烯在氨氣氣氛中微波加熱，得到摻氮石墨烯；

(2)將所述摻氮石墨烯、納米硅顆粒、有機酸加入溶劑中，進行溶劑熱反應，洗滌，得到所述硅摻雜的石墨烯復合材料。

優選地，步驟(1)中，所述微波加熱的溫度為100℃-120℃，微波加熱的時間為20-40min。

優選地，步驟(2)中，所述有機酸為一水合檸檬酸。

優選地，步驟(2)中，所述摻氮石墨烯、納米硅顆粒和有機酸的質量比為1:(0.01-0.1):(1-3)。

優選地，步驟(2)中，所述溶劑為無水乙醇。