[发明专利]碳纳米管/硅/石墨烯复合材料及其制备方法与锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及化学材料的制备领域，尤其涉及一种碳纳米管/硅/石墨烯复合材料及其制备方法。本发明还涉及该硅碳复合材料在锂离子电池中的应用。

背景技术

锂离子电池作为一种新型储能器件，国内外很多科研机构和企业争相研究。随着各种电子产品的发展，锂离子电池的性能越来越不能满足各种耗电产品的需求。目前锂离子电池的负极材料主要用石墨，而石墨的理论容量最高仅为372mAh/g，这大大限制了锂离子电池的性能。

最近，研究者发现硅作为负极材料，具有很高的储能容量，最高理论容量能达到4200mAh/g，这就为锂离子电池性能的提高提供了一种非常有效的方法。但硅作为负极材料存在一个问题，即硅在嵌锂和脱锂的过程中体积变化较大，这会导致电极材料粉末化，使得锂离子电池随着循环次数的增加储能容量下降较快，从而缩短锂离子电池的寿命，该是硅材料进行应用前亟待解决的一个重要问题。

碳纳米管具有较大的长径比，且具有较高的电导率。石墨烯是一种二维单分子层材料，具有优异的柔性。所以硅材料与碳纳米管、石墨烯进行复合能够有效降低硅材料在膨胀和收缩过程中对电极材料的破坏，从而提高器件的循环性能。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种碳纳米管/硅/石墨烯复合材料，其应用于锂离子电池中时，表现出优异的储能性能和循环性能，。

本发明针对上述技术问题而提出的技术方案为：一种碳纳米管/硅/石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将清洗并干燥后的衬底放入反应室中，通入惰性气体，使所述反应器中形成惰性环境，接着对所述反应室进行抽压处理1～30分钟，停止通入惰性气体并停止抽压；

将所述衬底加热至500～1300℃，接着向所述反应室通入气态碳源，保持温度不变，反应1～300分钟后，停止通入所述气态碳源，得到碳纳米管材料；

接着向所述反应室通入气态硅源，保持1～300分钟后，停止对衬底加热并冷却至室温，得到碳纳米管/硅复合材料；

取出所述碳纳米管/硅复合材料，将石墨烯和所述碳纳米管/硅复合材料置于无水乙醇中进行超声，然后过滤干燥，得到碳纳米管/硅/石墨烯复合材料。

所述衬底为铜箔、铁箔或镍箔中的一种或多种。

所述气体碳源为甲烷、乙烷、乙烯和乙炔中的一种或或多种；所述气态硅源为四氢化硅。

所述气态碳源的流量为50～400ml/min，所述气态硅源的流量为50～300ml/min。

抽压处理时，采用机械泵、罗茨泵及分子泵进行逐级抽压，将反应室内的压强抽至10^-3Pa以下。

所述超声时间为3～5h。

本发明还包括利用上述制备方法制得的碳纳米管/硅/石墨烯复合材料。

本发明还包括碳纳米管/硅/石墨烯复合材料制备的锂离子电池，该锂离子电池，包括由正极片、隔膜、负极片按顺序层叠组成的电芯、用于纳置所述电芯的密闭壳体，以及加注在密闭壳体内的电解液，所述负极片包括集流体以及涂覆在该集流体上的浆料，所述浆料包括按质量比85:5:10混合的负极材料、起粘结剂作用的丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠以及起导电剂作用的乙炔黑，所述负极材料为上述碳纳米管/硅/石墨烯复合材料。

所述电解液中的溶质为LiPF₆、LiBF₄、LiTFSI(LiN(SO₂CF₃)₂)、LiFSI(LiN(SO₂F)₂)中的一种；所述电解液中的溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、乙腈中的一种或多种。

所述电解液中的溶质与溶剂的体积比为1：1，所述电解液的浓度为1mol/L。

与现有技术相比，本发明的碳纳米管/硅/石墨烯复合材料，存在以下的优点：所制备的硅碳复合材料用作于锂离子电池负极材料时，具有优异的储能性能和循环性能。且对硅碳复合材料的制备过程中，所用设备简单，操作简易可行，耗时短，可用于批量生产。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明予以进一步地详尽阐述。

本发明的碳纳米管/硅/石墨烯复合材料的制备过程大致分为以下步骤：