[发明专利]一种锂离子电池负极用硅-石墨烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及锂离子电池负极材料的制备方法，尤其涉及一种锂离子电池负极用硅-石墨烯复合材料的制备方法，属于高容量锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术：

随着石油、煤等能源的日益紧缩，人类社会正面临着越来越严重的能源危机。在使用传统能源的过程中，所产生的污染气体已经给环境带来了巨大的破坏，因此，开发清洁和可再生能源是影响未来世界经济关键技术领域之一。锂离子电池锂离子电池以其高的能量和功率密度、高工作电压、长循环寿命、无记忆效应及无污染等独特优势，成为便携式电子设备及未来储能和车用轻型高能动力电池的首选。目前，生产使用的锂离子电池主要采用石墨化碳为负极材料，但石墨类材料的储锂容量不高，商业化的碳负极材料的电化学理论容量仅有372mAh/g，显然不能满足高比能量的要求。因此，开发新一代的高性能的锂离子电池材料，已成为科研工作者亟需解决的问题。

硅基负极材料由于具有很高的理论容量（能够形成Li_4.4Si，理论容量4200mAh/g），嵌锂电位低，电化学可逆容量高，安全性能好，资源丰富等优势，是新一代锂离子电池材料的研究热点。但是硅基材料与其他金属基材料一样，在锂离子的脱嵌过程中，伴随着严重的体积效应，导致在充放电过程中活性材料的粉化脱落，容量衰减严重，降低了电池的效率和循环性能，而且存在严重的安全隐患。

目前，主要利用活性材料的纳米化来减少可逆过程中的绝对体积变化；同时利用活性材料的复合化，利用其他材料束缚活性材料在循环过程中的体积变化。石墨烯因具有特殊结构和性能，成为国际科学研究的热点。这种单层碳原子厚度的二维碳材料具有优异的力学、电学和热学性能，比表面积高大2600m²/g，电子迁移率达到15000cm²/(V·s)，同时石墨烯也有储锂能力，可以同硅负极材料的进行复合，有效克服硅负极材料应用过程中的缺点。因此硅/石墨烯复合材料有望成为新一代的高性能的锂离子电池负极材料。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锂离子电池负极用硅-石墨烯复合材料的制备方法。

本发明的技术方案为：一种锂离子电池负极用硅-石墨烯复合材料的制备方法，其具体步骤如下：

1）氧化石墨溶液的制备：

通过改性的Hummer法制备氧化石墨；然后配制浓度为0.01-1g/L的氧化石墨溶液；

2）硅/石墨烯薄膜的制备：

预先取一定量的纳米硅粉暴露于空气中，按纳米硅粉的质量与水的体积比为0.001-0.05g/ml，将纳米硅粉超声分散在去离子水中，然后按纳米硅粉的质量与氧化石墨的质量比为0.1-4：1，将硅分散液与步骤1）配制的浓度为0.01-1g/L的氧化石墨溶液混合，继续超声分散后，将混合液真空抽虑到滤膜上面；将上层为硅-氧化石墨烯的滤膜在空气中自然风干后，将硅-氧化石墨烯薄膜从滤膜上面取下来；放置在石英舟中，在氩氢混合气的管式炉中，控制气体流速，在550-850℃下，煅烧1-3h，得到锂离子电池负极用硅-石墨烯复合材料。

通过改性的Hummer法制备氧化石墨，具体方法参见本课题组申请的专利《一种氧化还原制备石墨烯的方法》（申请(专利)号:CN201110372309.X）。通过XRD、Raman和FT-IR表征，制备的氧化石墨氧化程度高，在水溶液中分散性好。

优选纳米硅粉粒径尺寸在20-50nm；优选纳米硅粉暴露于空气中的时间为12-20h。

优选步骤（2）中所述的超声分散的频率为均为40-80Hz；将纳米硅粉超声分散在去离子水中的超声的时间为5-60min；硅分散液与氧化石墨溶液混合后继续超声分散时间为1-2h。

优选步骤（2）所述的滤膜为纤维素滤膜、PVDF滤膜、阳极电镀铝氧化膜和Anodisc无机膜的一种。

优选步骤（2）中所述的氩氢混合气为氢气的体积分数为5%-10%，氩气的体积分数90-95%。

优选步骤（2）中所述的管式炉反应管为石英管或刚玉管。

有益效果：

1、本发明制备的硅/石墨烯复合材料克服了目前负极材料领域的关键问题，大大的提高了锂离子电池负极材料的容量、效率、循环稳定性和安全性，同时工艺简单，制备效率高、成本低廉，易于工业的大规模生产。