[发明专利]一种单质硅-石墨烯纳米带复合材料的制备方法

说明书

一种单质硅‑石墨烯纳米带复合材料的制备方法，即将单质硅与粘结剂均匀混合形成单质硅悬浮液。然后加入通过化学切割和超声剥离碳纳米管制备出石墨烯纳米带，超声混合制备出单质硅‑石墨烯纳米带胶状体，经干燥以及热处理制得复合负极材料产品。本发明具有工艺简单，操作方便，有利于实现大规模化生产，便于推广应用，能耗低，生产成本低，生产安全性好等特点，采用本发明方法制备出的单质硅‑石墨烯纳米带复合材料具有结合力强、导电性能优异，离子扩散速度快，循环使用寿命长等特点，本发明可广泛应用于制备金属单质复合材料，采用本发明方法制备出的产品可广泛用做负极材料应用于高性能的锂离子电池。

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备技术领域，具体涉及纳米复合材料领域中的单质硅-石墨烯纳米带复合材料制备方法。

背景技术

近年来，锂离子电池由于具有能量密度高，充放电速度快，无记忆效应，使用寿命长等诸多优点而成为研究热点。目前，锂离子电池一般采用石墨作为其负极材料，然而石墨较低的比容量(理论容量372mAh/g)严重限制了锂离子电池的性能。硅由于其具有的比容量大(理论容量达4200mAh/g)，被认为是最有望取代石墨成为下一代新型锂离子电池负极的材料。然而，硅在充放电过程中存在严重体积效应，随着锂离子嵌入-嵌出的进行，硅电极材料会严重粉化，同时，硅的导电性较低，这两种因素极大的限制了硅作为负极材料在锂离子电池领域的应用。因此，设计出一种能够解决这两个问题的方法具有极其重要的现实意义。石墨烯纳米带是一种一维带状石墨烯，通过设计一种石墨烯纳米带捆绑缠绕的单质硅-石墨烯纳米带复合结构，能够很好的缓解单质硅的粉化现象，同时，石墨烯纳米带具有良好的导电性，从而更加有利于电子或离子的传输与存储。

现有硅和石墨烯复合材料制备方法通常是将石墨通过化学氧化制得氧化石墨烯，然后通过高温剥离制得石墨烯，然后通过等离子体处理得到改性石墨烯，然后通过气相沉积法进行硅沉积，即得到硅和石墨烯的复合材料。该方法的主要缺点是：①该方法采用气相沉积法，产量较低，生产成本高，不便于推广应用。②该方法采用硅烷硅源，价格贵，同时有毒，不利于大批量生产。③该方法中温度较高，能耗大，不利于节能降耗，实际应用受限。④该方法制得的产品石墨烯与单质硅之间结合不紧密，从而导致单质硅在电化学反应过程中仍然比较容易粉化脱落，使循环稳定性和使用寿命受到影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有硅和石墨烯复合材料制备方法不足，提供一种单质硅-石墨烯纳米带复合材料的制备方法，具有操作方便，生产成本低，绿色无毒等优点；本发明方法制备出的单质硅-石墨烯纳米带复合材料具有结构稳定，两者之间存在静电粘附作用，石墨烯纳米带在单质硅表面的静电粘附会显著提高电子和锂离子的传输速率，从而增强锂离子的嵌锂活性和使用寿命，该种材料可作为高功率锂离子电池负极材料。

实现本发明目的的技术方案是：一种单质硅-石墨烯纳米带复合材料的制备方法，以单质硅和碳纳米管为原料，首先单质硅通过与粘结剂的混合制得硅的悬浮液；其次，经化学切割和超声剥离制备出石墨烯纳米带；然后，通过超声混合制得单质硅-石墨烯纳米带胶状物；最后，通过热处理制得单质硅-石墨烯纳米带复合材料。所述方法的具体步骤如下：

1)制备单质硅悬浮液

将单质硅材料加入去离子水中搅拌0.5～12h，得到单质硅的悬浊液，单质硅在去离子水中的浓度为0.001-0.01g/mL；然后往悬浊液中加入粘结剂超声10～300min，制得均匀的单质硅悬浮液。所述粘结剂与单质硅的质量之比为1∶0.1～50。

2)制备石墨烯纳米带

2.1)将石墨化碳纳米管加入到氧化性酸中搅拌1～24h制得混合物I。