[发明专利]一种石墨烯量子点/纳米硅锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明一种石墨烯量子点/纳米硅锂离子电池负极材料的制备方法，属于电化学技术领域。

背景技术

锂离子电池因能量密度高、循环寿命长、环境友好、无记忆效应等显著优点而广泛应用于手机、相机、笔记本电脑等日用消费电子产品。随着生活水平的提高和技术进步，人们对锂离子电池性能提出了更高要求。例如，作为新电动汽车动力的锂电池除了超高容量外，还应具备良好的动力特性和长的使用寿命。面对商品化石墨负极的较低容量和结构不稳定缺陷。近年，研究人员研发了系列新的碳基或非碳负极材料。硅被公认为最有可能成为下一代高性能锂电池理想的负极材料。它的理论容量达到4200mAh/g，是石墨电极容量的十倍以上。然而，硅在充放电过程中会发生巨大的体积变化，电极材料易粉化脱落，导致电容量迅速衰减。此外，硅负极放电电位低，易与电解液发生副反应产生不稳定的SEI膜，造成硅和电解液大量消耗。因此，硅负极至今未实现商业化。

研究人员在提高硅负极电化学性能方面进行了大量尝试，但从主要技术手段上可归纳为“纳米化”、“合金化”和“复合化”。“纳米化”是减少硅晶体尺寸至纳米级，通过缩短充放电过程中锂离子和电子扩散距离提高电化学反应活性。目前，纳米硅已从零维的硅球发展到一维的硅线、二维的硅薄膜和三维的多孔硅。然而，纳米硅不仅生产成本高，而且在反应中易团聚而发生“电化学烧结”。此外，纳米硅大的比表面增加了它与电解液的接触产生更多的SEI膜，导致电容量更大程度的衰减(Shu-LeiChou,Jia-ZhaoWang,MohammadChoucair,Hua-KunLiu,JohnA.StrideandShi-XueDou.Enhancedreversiblelithiumstorageinananosizesilicon/graphemecomposite.Electrochem.Commun,2010,12(2):303-306)。“合金化”是通过金属与硅形成合金相，利用不同组分间的体积补偿实现对硅负极巨大体积变化的有效缓冲。同时，金属良好的导电性可明显改善硅材料的传导性。尽管硅合金化在一定程度上改善了电极的电化学性能，但合金组分自身也会出现粉化现象，因而循环性能并不理想(Jia-ZhaoWang,ChaoZhong,Shu-LeiChouandHun-KunLiu.Flexiblefree-standinggraphene-siliconcompositefilmforlithium-ionbatteries.Electrochem.Commun,2010,12(11):1467-1470)。“复合化”是通过硅与传导性碳材料或其他传导性材料的复合提高硅负极的传导性和结构稳定性，从而改善其电化学性能。相对于纳米化和合金化，复合方法较为简便，且复合材料选择广泛，目前已发展成为硅负极主要的改性方法。石墨烯具有独特的电学、磁学、机械和化学性能，是较为理想的碳基复合材料(JeongK.Lee,KurtB.Smith,CaryM.HaynerandHaroldH.Kung.Siliconnanoparticles-graphenepapercompositesforLiionbatteryanodes.Chem.Commun,2010,46(12):2025-2027)。然而，几微米至几十微米的石墨烯片涂覆于硅粒子表面不可避免地阻碍了锂离子在硅粒子表面与电解液之间的扩散，从而导致比容量的大幅度下降。解决这一问题的方法主要是将二维的石墨烯片转变成具有特殊空间结构的三维石墨烯(JianLin,ChenGuangZhang,ZhengYan,YuZhu,ZhiWeiPeng,RobertH.Hauge,DouglasNatelsonandJamesM.Tour.3-dimensionalgraphenecarbonnanotubecarpet-basedmicrosupercapacitorswithhighelectrochemicalperformance.Nano.Lett,2012,13(1):72-78)，或采用特殊的活化方法活化石墨烯。然而，石墨烯的三维化和活化往往需要多步反应或使用复杂工艺，不仅耗时、耗能，而且生产成本明显增加，这不利于它的实际推广应用。

经过广泛的研究和反复的试验发现，将石墨烯量子点与纳米硅复合能够得到一种性能优异的硅基锂离子电池负极材料。研究表明，石墨烯量子点的引入提高了硅负极的电子/离子传导性，复合物作为锂离子电池负极材料具有显著改善的比电容量、高倍率性能和循环稳定性，可广泛用于各种大容量锂离子电池。

发明内容