[发明专利]一种石墨烯多孔纳米硅复合材料、其制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属化学储能领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料：石墨烯多孔纳米硅复合材料。该材料是用酸浸蚀硅合金生成的多孔硅与石墨烯复合而成。由于该材料具有很高的放电比容量，充放电循环稳定性和优秀的充放电功率特性，可用于制备高能锂离子电池，应用于电动车、和高性能便携式电子器具：计算机和手机、iPad等。 

背景技术

化学电源是将化学能转化为电能的一种装置。目前市场上常见的二次电池有：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。近年来，便携式电子设备，和电动车对储能装置的各项指标越来越高，而锂离子电池能很好地满足以上环保、高能的要求，因此大大促进了各国研究人员对高能量密度和高功率密度锂离子电池的研究。锂离子电池是最新一代蓄电池，具有能量密度高、工作电压高、充电速度快、循环寿命长、自放电极小（5%）、环境友好、安全稳定的性能优点，是最具发展前景的绿色储能电源。由于目前实用的锂离子电池负极材料石墨的理论比容量较低（372 mAh/g），开发具有高比容量的新负极材料成为研究开发的热点。而硅负极因其超高的理论比容（4200mAh/g）受到广泛关注，但在充放电时其剧烈体积效应和低电导率的缺点阻碍了硅的实用化。为了克服硅在充电时膨胀(可三倍体积)、和锂在硅中扩散系数小的缺点，国内外的研究主要是采用纳米硅、纳米线、纳米管、介孔硅和超薄硅层等方法。也有采用化学气相沉积法结合磁控溅射法合成Si/金属（Ag, Sn, Co,Cu）复合物的报导，以提高材料导电率和电池的大电流充放性能。然而这些方法成本高，工艺复杂，不易大量生产。我们之前申请的中国专利（申请号：201310122811.4）提出了一种新型多孔纳末硅负极材料，已经很好地解决了硅的体积效应的问题。目前的问题是进一步提高多孔纳末硅负极材料的放电比容量，充放电循环稳定性以及功率性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法，克服硅在充电时膨胀、硅的电导率小，以及锂在硅中扩散系数小的缺点，提高硅材料的放电比容量、充放电循环稳定性、以及功率性能。

为达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯多孔纳米硅复合材料，该复合材料是由石墨烯与多孔纳米硅构成，其中，石墨烯多孔纳米硅复合材料中石墨烯的含量为0.1%-90%。

上述的石墨烯多孔纳米硅复合材料，其中，多孔纳米硅由酸浸蚀硅合金粉末制成，所述的硅合金选择硅铝、硅铁或硅镁合金中的任意一种，硅合金中硅的重量含量为3-95%。 

本发明还提供了一种上述的石墨烯多孔纳米硅复合材料的制备方法，该方法为低温热还原法，该方法是先把石墨氧化生成氧化石墨，以氧化石墨和所述多孔纳米硅为原料，混合生成氧化石墨-多孔纳米硅混合物，然后在体积比例为2-10%的H₂/Ar气氛下，200-700℃还原制得石墨烯多孔纳米硅复合材料。

本发明还提供了一种根据上述的石墨烯多孔纳米硅复合材料的制备方法，该方法以石墨烯和多孔纳米硅为原料，加入表面活性剂，采用搅和、球磨等方法均匀混合；所述表面活性剂选择阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂。

上述的石墨烯多孔纳米硅复合材料的制备方法，其中，所述的表面活性剂选择 Span-80或全氟聚醚基表面活性剂等。

本发明还提供了一种上述的石墨烯多孔纳米硅复合材料的用途，该复合材料用于锂离子电池的负极活性物质，该负极由石墨烯多孔纳米硅复合材料、导电剂、水系或有机溶剂系粘结剂组成，负极混合物中各组分重量含量的百分比例为：石墨烯多孔纳米硅复合材料20~97%，导电剂 0~40%， 粘结剂2~40%，电极的基板是铜箔，厚度为5~40μm。

上述的石墨烯多孔纳米硅复合材料的用途，其中，所述的水系粘结剂为高分子材料，选择甲基纤维素钠、苯乙烯-丁二烯乳胶、聚丙烯酸酯类三元共聚物乳胶、丙烯腈多元共聚物中的至少2种。

上述的石墨烯多孔纳米硅复合材料的用途，其中，所述的有机溶剂系高分子粘结剂为聚偏氟乙烯。

上述的石墨烯多孔纳米硅复合材料的用途，其中，所述的导电剂为石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、导电碳黑中的任意一种。