[发明专利]一种硅基/石墨烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池新材料技术领域，尤其涉及一种硅基/石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

随着消费类电子产品功能的多样化，锂离子电池作为电子产品的供给能源，其容量及使用寿命开始受到人们的高度关注。但往往电子产品设计时留给锂离子电池的空间有限，提高电池容量，更准确的说是提高电池的能量密度，是锂离子电池厂商提高竞争力的关键手段。要提高电池的能量密度，可以从提高正极材料的克容量或负极材料的克容量出发，但是正极材料的克容量提高有限，而负极材料的克容量提升还有很大空间。

对于负极材料来说，目前广泛使用的是天然石墨、人造石墨、中间相碳微球及它们的混合物。众所周知，石墨的理论克容量是372 mAh/g，已无法满足目前高端电子产品的能量密度要求。因此科研工作者对高能量密度的负极材料做了广泛而深入的研究，其中最有希望的就是硅基材料。硅的理论克容量是4200 mAh/g，远高于石墨的理论克容量372 mAh/g。但硅也有较大的缺点，那就是，硅嵌锂后的体积膨胀能达到300%- 400%，因此硅基材料往往与碳材料进行复合，以降低充放电过程中的膨胀。

在碳材料中，石墨烯拥有优异的机械强度，与硅基材料复合能很好的抑制其体积的变化；石墨烯同时具备超高的导电能力，可以改善硅基材料导电性能较差的问题，有利于提高硅基材料的电化学性能；具有优异导热性能的石墨烯，与硅基材料混合使用还能提高硅基材料的安全性能。

申请号为201110247595.7的中国专利申请中介绍了一种锂离子电池硅/石墨烯复合负极材料的制备方法：石墨烯构成内部空腔并将硅粉包裹在其内部空腔内，得到球形或类球形复合颗粒，但是采用喷雾干燥方法制得这种结构材料的可行性不高。同时该制备方法中使用的原料为硅粉及石墨烯，成本较高。

申请号为201010561749.5的中国专利申请中介绍了一种锂离子电池负极用的硅/石墨烯复合材料及其制备方法。该复合材料在每层石墨烯上分散有硅纳米粒子，但该方法需要采用众多试剂，同时采用了氧化石墨的原料，成本高且工序复杂。

申请号为201110446233.0的中国专利申请中介绍了一种锂离子电池负极用硅/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其通过二氧化硅/石墨烯复合材料经镁热还原法制得。这种方法要先用浓硫酸等制备氧化石墨，其次采用镁热还原，成本高，工序复杂。

申请号为201110421436.4的中国专利申请中介绍了一种硅/石墨烯复合材料及其制备方法与应用，其仍然是采用了硅源和氧化石墨，并且采用强酸和强碱刻蚀，污染环境，成本高。

综上所述，以上专利申请无一例外均采用硅源与氧化石墨进行物理混合，然后经过还原处理得到硅和石墨烯的复合材料，这种方法无疑有较多缺点。首先，物理混合导致硅基材料在石墨烯中分散不均匀，不利于复合材料性能的发挥；其次上述专利申请都是以氧化石墨为原料，而氧化石墨的制备要使用到强酸及强氧化物，从而导致工艺的不可控和潜在的环境健康安全风险。

有鉴于此，确有必要提供一种工序简单、成本低廉和安全环保的硅基/石墨烯复合材料的制备方法，该方法将硅基/石墨复合材料制成负极片并组装成电池，直接在电场作用下使得碳酸丙烯酯(PC)嵌入石墨层间，使得石墨层层剥离，得到高容量的硅基/石墨烯复合材料。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种工序简单、成本低廉和安全环保的硅基/石墨烯复合材料的制备方法，该方法将硅基/石墨复合材料制成负极片并组装成电池，直接在电场作用下使得碳酸丙烯酯(PC)嵌入石墨层间，使得石墨层层剥离，得到高容量的硅基/石墨烯复合材料，以克服现有技术中制备硅基/石墨烯复合材料的方法工序复杂、成本较高和潜在的环境健康安全风险的不足。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种硅基/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，以含硅基/石墨复合材料的极片作为工作电极、含锂源材料的极片作为对电极，与含碳酸丙烯酯（PC）和锂盐的电解液和隔膜组装成扣式电池、叠片电池、软包装电池、圆柱电池和方形电池中的任意一种。

步骤二，将组装好的电池进行充放电，使锂离子和碳酸丙烯酯（PC）在电场作用下共嵌入石墨层间，使得石墨层产生剥离，得到嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体。

步骤三，拆掉电池，将嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体放入碳酸二甲酯（DMC）溶液中浸泡，去除电解液等杂质，并抽真空干燥。