[发明专利]一种石墨烯包裹硅粒子复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种石墨烯与硅粒子复合材料的制备方法，具体地说是一种石墨烯包裹硅粒子复合材料的制备方法。

背景技术

研究表明石墨烯可以作为锂离子电池负极材料，然而相对较低的理论储锂容量(372mA h g^-1)极大地限制了其应用，为了解决这个问题，当前常见的办法就是采用具有较高储锂容量的物质与其复合，即制备复合材料。在合金化储锂的所有元素中，硅的比容量最高(约为石墨烯实际比容量的10倍)，其具有较低的放电电压，并且在低温或快速充电时引起表面析锂的可能性较小，是一种理想的高储锂材料材料。然而，单一的硅作为锂离子电池负极材料无法商业化，由于其存在以下问题：(1)硅的体积效应高达420％，在锂化反应过程中，锂离子脱插后，硅颗粒收缩，体积变化会导致电极脱落和失效，引起电接触降低，导致容量衰减、循环性能下降；(2)硅的本征电导率很低，仅为6.7×10^-4S cm^-1，为了实际应用，需要加入导电剂。因此，将石墨烯和硅进行复合，使它们弥补彼此的不足，从而获得高性能的硅/石墨烯复合型锂离子电池负极材料成为了当前的研究热点。

目前，国内外研究人士已经证实借助石墨烯的优点(如高导电性、高机械性能、大比表面积和低密度等)，通过将硅粒子插入到石墨烯片层中，可以有效解决硅材料在锂化反应过程中的体积变化问题，提高循环稳定性，同时石墨烯的引入也可以极大提高硅材料电导率，因此制得的硅/石墨烯复合材料能够展示出较为理想的锂电性能。例如：2013年，Ji等人设计硅/石墨烯/超薄泡沫状石墨结构，结构中的石墨烯涂层能够提供稳定固态电解质的界面，同时也能提供导电路径。此外，由于硅粒子很好的粘结在超薄石墨上，因此在电极材料的制备过程中无需加入粘结剂(Advanced Materials,2013,25(33)4673-4677)；2014年，Liu等人受石榴结构启发，设计了单个纳米硅颗粒外包导电碳层，然后多个单元组成一个大单元，在大单元外再包覆一层碳层(微米尺寸)的新型复合材料(Nature Nanotechnology,2014,9(3)：187-192)；2015年，Tang等人制备了一种硅/蜂窝状石墨烯复合物，蜂窝状石墨烯可以有效的避免硅颗粒的团聚。(Journal of Materials Chemistry A,2014,2(16)：5834-5840)。

然而，现有的合成硅/石墨烯复合材料的方法仍存在以下问题：a)、传统合成氧化石墨烯通常采用机械搅拌的办法，在反应过程中需要使用高锰酸钾和浓硫酸(有毒有害)做为氧化剂，且如果高锰酸钾的加入速度控制不当还会引起爆炸(危险)，此外，需要对产品进行多次的水洗、离心，有时甚至需要使用半透膜对产品进行长达一个月的透析(程序复杂)，才能使产品的PH值接近中性；b)、在制备硅/石墨烯复合材料时，为了使硅纳米粒子附着在氧化石墨烯表面，同时使氧化石墨烯还原为导电性能优良的还原石墨烯，通常采取的办法为水热或者煅烧，然而由于硅纳米粒子在水中分散性较差，同时高温、高压的水热条件将进一步导致硅纳米粒子形成聚集，因此水热法的应用受到了限制，虽然近年来，研究者们想到采用有机溶剂，如N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮等(有毒有害)来替代水做为溶剂，在一定程度上改善了硅纳米粒子在石墨烯表面及层间的分散程度，但该方法仍受限于苛刻的反应条件(需在反应釜中进行)，无法大规模生产；与水热法相比，煅烧法的单次制备产品量较大，然而在煅烧前通过研磨的手段将硅纳米粒子与氧化石墨烯进行预混合，难以均匀，即便采用球磨技术，也无法保证硅纳米粒子在石墨烯表面均匀分散，这也是该方法难以推广的原因。

总结现有技术，无论水热法还是煅烧法制得的硅/石墨烯复合材料，硅纳米粒子与石墨烯结合均不够紧密、易于脱落、稳定性差，同时硅纳米粒子在石墨烯上的分布不均，覆盖率不高，且易于聚集；水热法虽然可以一定程度上提高稳定性，但合成过程难于控制，有的方法中还涉及有毒有害物质的使用和排放。因此，开发一种安全、简易、且适用于大规模生产的硅/石墨烯复合材料的制备方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决硅/石墨烯复合材料制备过程中存在的硅纳米粒子在石墨烯表面发生团聚和无法大规模生产的问题的石墨烯包裹硅粒子复合材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一，将碳粉与含硅材料混合均匀，压制成碳/硅棒；