[发明专利]一种锂离子电池及其负极复合材料和制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池及其负极复合材料和制备方法，包括氧化硅负载的石墨烯、纳米硅、无定形碳，以及石墨，纳米硅、氧化硅负载的石墨烯、石墨和无定形碳的质量比为1：(0.1～2)：(5～50)：(0.5～5)。本发明将纳米硅、氧化硅负载的石墨烯分散在溶剂中，经过超声、搅拌，待混合均匀后除去溶剂，在惰性气体下经过高温热处理，得到纳米硅/氧化硅负载的石墨烯复合物；再将复合物与石墨，有机碳源分散在溶剂中，再次经过超声、搅拌，待混合均匀后除去溶剂，在次经过高温热处理，得到氧化硅/石墨烯基硅碳复合材料。本发明的制备方法简单易行，生产出的复合材料作为锂离子电池负极使用时具有高的比容量、库伦效率、循环和倍率性能好。

【技术领域】

本发明属于锂电池电极技术领域，具体涉及一种锂离子电池及其负极复合材料和制备方法。

【背景技术】

锂离子电池以其比能量大、工作电压高、自放电率小、体积小、重量轻等优势早已占据3C领域大部分市场。目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨，但理论容量仅为372mAh·g-1，已逐渐不能满足市场对高能量密度的需求。与传统石墨负极相比，硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的嵌脱锂电位(<0.5V)，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时难以引起表面析锂，安全性能更好。但是，硅作为锂离子电池负极材料时缺点也非常明显。首先，硅是半导体材料，自身的电导率较低；其次，在电化学循环过程中，锂离子的嵌入和脱出会使硅基材料体积发生300％以上的膨胀与收缩，由此产生的机械作用力会使硅基材料逐渐粉化，造成结构坍塌，最终导致电极活性物质与集流体脱离，丧失电接触，进而使得锂离子电池的循环性能大大降低。目前主要通过将硅颗粒纳米化然后进行碳包覆的方法来提高硅基负极材料的循环性能，然而，制备出的硅碳复合负极材料循环性能仍然不能达到产业化应用的要求。

硅和氧化硅的混合物由于氧化硅可以缓和硅充放电时体积变化所产生的应力，所以与硅相比，循环性能更加优异。然而，由于硅和氧化硅的混合物缺乏导电性，对于电池而言，在高电流密度下放电容量显著降低。因此，需要设计出一种新型的复合材料，使其同时满足高循环性能和高倍率性能，才能使得硅基复合负极材料的应用取得大的突破。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种比容量高、库伦效率高、循环性能好、倍率性能佳的锂离子电池及其负极复合材料和制备方法。

本发明采用以下技术方案：

一种锂离子电池负极复合材料，包括氧化硅负载的石墨烯、纳米硅、无定形碳，以及石墨，纳米硅、氧化硅负载的石墨烯、石墨和无定形碳的质量比为1：(0.1～2)：(5～50)：(0.5～5)。

进一步地，纳米硅尺寸为10～200nm。

进一步地，氧化硅负载的石墨烯由正硅酸乙酯水解后原位负载到氧化石墨烯上获得。

进一步地，无定型碳主要是有机碳源经过高温热解后得到。

一种锂离子电池负极复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将纳米硅、氧化硅负载的石墨烯分散在溶剂中，经过超声、搅拌，待混合均匀后除去溶剂，然后在氮气和/或氩气环境下以2～10℃/min的升温速度升到600℃～1000℃后保持0.5～24h，得到纳米硅/氧化硅负载的石墨烯复合物；

2)将步骤1)得到的复合物与石墨，有机碳源分散在溶剂中，再次经过超声、搅拌，待混合均匀后除去溶剂，然后在氮气和/或氩气环境下以2～10℃/min的升温速度升到600℃～1000℃后保持0.5～24h，得到氧化硅/石墨烯基硅碳复合材料。

进一步地，溶剂包括水、乙醇、甲醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、NN-二甲基甲酰胺中的一种或多种。

进一步地，除去溶剂的方式为加热搅拌蒸干、喷雾干燥、旋转蒸发中的一种。