[发明专利]石墨烯纳米片与硅复合电极材料及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及电池电极材料领域，尤其涉及一种石墨烯纳米片与硅复合电极材料及其制备方法。

【背景技术】

传统商品化的锂离子电池大多采用锂石墨体系，虽然这类体系的电化学性能优异，但由于其本身储锂能力较低，如石墨的理论储锂容量为372mAh/g，所以新型的过渡金属氧化物/石墨体系受到人们的广泛重视。

目前所知道的嵌锂材料中，纯硅因具有最高的理论储锂容量(4200mAh/g)，相对较低的嵌锂电位，充放电过程不易团聚，较其他金属基材料具有更高的物理稳定性和化学稳定性，已成为锂离子电池负极材料领域的研究热点。但是硅基材料在深度脱嵌锂过程中由于体积效应产生的应力作用容易造成硅晶格结构的崩塌和材料粉化，致使活性物质脱离电极材料体系而失去活性，因此具有很差的循环稳定性。对硅基材料主要改进方法有采用Ni、Fe以及Cu等金属与硅复合，形成以硅为活性中心，以惰性金属为分散载体的活性/惰性复合体系，改善材料的导电性能的同时，提高了含硅材料的循环性能。但是这种材料容易形成惰性的金属硅相，而且这些金属本身的摩尔质量比较大，属于非嵌锂材料，因此在一定程度上削弱了硅基材料的比容量；另外金属本身具有电子导电性，不具备离子导电性，使得电解质难于浸入，从而失去活性。另外一种方法就是有碳材料包覆的方法，比金属的摩尔质量低，而且电解质易于浸入，相对效果较金属要好，材料性能有一定的改进，但还是较差。

石墨烯具有良好的导电性、空隙分布以及较高的机械性能，利用石墨烯材料替代传统的碳材料，与硅结合制备的石墨烯与硅复合电极材料具有良好的电化学稳定性。传统的石墨烯与硅复合电极材料普遍采用含硅化合物还原法制备，过程繁琐，耗时长，且产率受影响。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种制备过程相对简单，成本较低的石墨烯纳米片与硅复合电极材料及其制备方法。

一种石墨烯纳米片与硅复合电极材料，所述复合电极材料包括纳米硅和石墨烯纳米片，其中，纳米硅分散在石墨烯纳米片的层状结构之中，纳米硅在所述复合电极材料中的质量分数为5～50％。

一种石墨烯纳米片与硅复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：

惰性气体氛围下，将纳米膨胀石墨与纳米硅按1～19∶1的质量比混合后，按照15∶1～20∶1的球料比，置于80ml玛瑙磨球的球磨罐中球磨，所述球磨容器的转速为100～500转/分钟，球磨时间为2～4小时，每球磨1小时休息20分钟，得到所述石墨烯纳米片与硅复合电极材料。

在优选的实施方式中，所述纳米膨胀石墨是采用如下步骤制得：

在惰性气体氛围下，将膨胀石墨粉体与磨球按照1∶15～20的重量比在球磨容器中混合，密封，控制球磨容器的转速350～450转/分钟，球磨2～6小时。

在优选的实施方式中，所述纳米膨胀石墨制备过程中，还包括步骤：每球磨1小时静置20分钟后再继续球磨。

在优选的实施方式中，所述膨胀石墨粉体是采用如下步骤制得：

将可膨胀石墨以200-300℃/min的速率，快速升温至800～1200℃，保持10～60秒后热剥离，得到所述膨胀石墨粉体。

在优选的实施方式中，所述可膨胀石墨的平均粒径为300～500目。

在优选的实施方式中，所述纳米硅是采用如下步骤制得：

在惰性气体氛围下，将硅粉与磨球按照1∶15～20的重量比在球磨容器中混合，密封，控制转速350～450转/分钟，球磨1～6小时。

在优选的实施方式中，所述纳米硅的制备过程中，还包括步骤：每球磨1小时静置20分钟后再继续球磨。

在优选的实施方式中，所述硅粉的粒径为0.15～0.5μm。

将纳米膨胀石墨与纳米硅混合再球磨，相对传统的复杂的制备方法，简单快捷易行，制备过程中原料损失较少，产率相对较高；球磨得到的石墨烯纳米片与硅复合电极材料中纳米硅能够很好的分散在石墨烯纳米片的片层之间，防止石墨烯纳米片团聚，可以使复合电极材料达到较高的比表面积，同时，由于石墨烯纳米片的高导电性能够很好的将电子传导到单质硅上，提高了导电性，能够充分发挥了硅的高容量特性，又可以提高其稳定性，适合作为锂离子电池的负极材料。

【附图说明】

图1为一实施方式的石墨烯纳米片与硅复合电极材料的制备流程图；

图2为实施例1制得的石墨烯纳米片与硅复合电极材料的SEM图片。

【具体实施方式】

下面主要结合附图及具体实施例对石墨烯纳米片与硅复合电极材料及其制备方法作进一步详细的说明。