[发明专利]一种石墨烯基锂离子电池负极材料

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种石墨烯基锂离子电池负极材料，负极材料为三维多孔石墨烯‑非碳材料复合电极材料，其包括三维多孔石墨烯和负载于三维多孔石墨烯上的非碳材料，负极材料具有丰富的孔结构，其比表面积为170‑400 m²/g，孔容为0.18‑1.2 cm³/g，块体密度为0.6‑3.0 g/cm³，并且负极材料中孔的体积之和为非碳材料的体积之和的1.9倍‑4倍。相对于现有技术，该负极材料解决了该材料中非碳活性组分的体积膨胀问题，优化了复合材料的密度，保证复合材料的离子传输性和电子传导性。该材料具有结构新颖、导电性好、电化学储锂容量大、循环性能好等优点，同时制备方法简单，低成本，适于产业化。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种具有合适预留空间的石墨烯基锂离子电池负极材料。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度高、循环性能好的优点，自其商品化以来已经广泛应用于便携电子产品、电动车以及电网领域。特别是随着能源与环境问题的凸显，锂离子电池在新能源产业的发展中得到了越来越多的重视。

锂离子电池的负极是电池的重要组成部分，它的结构与性能直接影响锂离子电池的容量、循环性能以及倍率性能。当今锂离子电池负极材料中，已实现大规模商用的是石墨材料。石墨材料成本低、来源广泛，适于商业化，但其质量比容量低，理论质量比容量仅为372mAh/g；同时石墨负极的密度低，其理论体积比容量仅为800mAh/cm³，这样就限制了锂离子电池在高质量比容量和高体积比容量方面的发展。

非碳材料如硅、金属氧化物(如SnO₂、Fe₂O₃等)作为锂离子电池负极具有很高的质量比容量，以及高密度，从而具有很高的体积比容量。其中SnO₂比容量高达782mAh/g，但SnO₂作为电极材料在充放电过程中体积变化高达260％，这会引起电极的粉碎，导致活性物质与集流体的断路。Si基负极材料具有超过3000mAh/g的质量比容量，但其体积膨胀达到300％-400％，在充放电过程中严重影响其容量的发挥。因此，非碳材料因为严重的体积膨胀问题限制了其在锂离子电池负极中的大规模应用。

碳材料的引入对于解决非碳负极材料在电池工作过程中的体积膨胀问题十分关键。对负载非碳活性材料的碳骨架进行设计，预留合适的空间满足非碳材料在嵌锂过程中的体积膨胀，同时设计预留空间，提高复合材料的密度，从而制备出新型的碳-非碳复合结构，对于提高锂离子电池的质量比容量和体积比容量具有很重要的意义。

石墨烯作为典型的二维柔性碳材料，具有大的比表面和良好的导电性。石墨烯与非碳活性材料结合，在锂离子电池材料中具有良好的应用前景。开放的石墨烯骨架结构，虽然能充分满足SnO₂在嵌锂过程中体积膨胀，但降低了负极材料的密度，从而限制了其体积性能的提高。在三维石墨烯水凝胶水脱除的过程中利用水的毛细蒸发的方法可以实现三维石墨烯宏观体的致密化。将非碳活性材料负载于致密的三维石墨烯宏观体中，可以显著地增加复合材料的密度，但是过于致密的石墨烯骨架结构不能充分地满足非碳活性材料在嵌锂过程中的体积膨胀，从而影响了该复合材料的质量性能，亦导致负极材料体积性能的降低。

有鉴于此，确有必要提供一种具有合适预留空间的石墨烯基锂离子电池负极材料，其通过设计石墨烯骨架来负载高密度、高容量的非碳活性材料，引入并优化预留空间，满足非碳活性材料的体积膨胀，保证快速的离子传输通路和良好的电学接触，在提高质量比容量的同时，获得高密度的锂离子电池负极材料，从而实现体积性能的提高。

发明内容