[发明专利]三维石墨烯层间填充碳包覆锡颗粒的复合材料及制备

说明书

本发明公开了一种三维石墨烯层间填充碳包覆锡颗粒的复合材料及制备方法。该材料由碳包覆锡纳米颗粒均匀填充到石墨烯片层中，组成三维三明治状结构。其制备过程如下：采用NaCl作为分散剂和模板，将其与金属源和碳源充分溶解混合，冷冻干燥并研细，得到混合物；将混合物放入管式炉，于氩气保护下煅烧，得到煅烧产物；将煅烧产物洗涤，与无水葡萄糖混合进行水热包覆，将水热产物再进行氢气催化煅烧，得到三维石墨烯层间填充碳包覆锡颗粒的复合材料。本发明优点在于，制备过程安全无害，操作简单，所制备的三维石墨烯层间填充碳包覆锡颗粒的复合材料作为锂离子电池负极材料具有高可逆容量，强循环稳定性以及优异的倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种三维石墨烯层间填充碳包覆锡颗粒的复合材料及制备方法，属于锂离子二次电池电极材料领域。

背景技术

传统煤炭，石油等燃料一直作为人类的主要能源，但随着其大量消耗，不仅造成了能源危机，还严重污染了空气，愈演愈烈的雾霾天气时刻在提醒人们寻找新型清洁可再生能源已是迫在眉睫。近年来，作为新型能源，水能，风能，太阳能，电池，电容器等产业都得到快速发展。其中，锂离子二次电池因具有能量密度大、工作范围宽、放电电压高、无环境污染、无记忆效应等优点，受到广泛关注，并已广泛应用于移动电话、摄像机、照相机、笔记本电脑等便携式设备中，更在新一代混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（EV）中充当重要能源，不久还将在卫星及航天等军事领域得到应用。

良好的锂离子电池负极材料应该具备高导电性，高比表面积，活性材料稳定性好等优点，石墨烯便满足这一要求，而三维石墨烯由于石墨烯片之间的连接，使得整体结构组建成立体导电网络，且大幅提高了振实密度，具有优于传统石墨烯的性质。目前制备三维石墨烯的方法主要有：还原氧化石墨烯堆垛法和泡沫金属CVD生长法，其各有利弊，对于还原氧化石墨烯堆垛法，所制备出的石墨烯极易团聚，并且还原不完全，这就造成了石墨烯比表面积低，导电性差等缺点；对于泡沫金属CVD生长法，制备出的石墨烯质量很好，但由于其产量极其有限，并且生产成本高，很难得到应用。

三明治结构一直以来都被看做锂离子电池负极材料的理想结构，所谓三明治结构，通常来讲就是由碳材料作为三明治的外皮，活性金属材料作为三明治的内心，所形成的夹层结构。这种结构不仅可以保护活性金属材料，使其避免与电解液直接接触，从而减少两相界面处的副反应，而且可以缓解活性金属材料在充放电时的体积膨胀，减少其破碎，粉化的几率。传统石墨烯类三明治结构主要有两种做法：一为利用还原氧化石墨烯时其片层之间的堆垛，使活性金属颗粒夹入石墨烯片层中，从而得到石墨烯-活性金属-石墨烯的三明治结构；二为先使得活性金属材料负载在石墨烯片层上，再进行碳包覆，使其最外围再包覆上一层碳，从而得到石墨烯-活性金属-非晶碳结构，而三维石墨烯的三明治结构由于制备难度较大，少有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维石墨烯层间填充碳包覆锡颗粒的复合材料及制备方法。该复合材料作为锂离子电池负极材料具有良好的充放电循环性能、倍率性能和稳定性，应用前景广阔。其制备方法过程简单，适于批量生产。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种三维石墨烯层间填充碳包覆锡

颗粒的复合材料，其特征在于，该复合材料由上、下三维石墨烯层及在该上、下三维石墨烯层间的碳包覆锡的纳米颗粒层构成，其中，三维石墨烯层厚度为1-10nm，三维石墨烯网络半径为1-10um；碳包覆锡纳米颗粒粒径为5-30nm，碳包覆层厚度为1-4nm；在该复合材料中的锡与总碳量的质量百分比为：(0.4-0.7):(0.6-0.3)。

上述结构的三维石墨烯层间填充碳包覆锡颗粒的复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：