[发明专利]一种以微晶石墨为碳源制备石墨烯/硅碳复合材料在锂离子电池的应用

说明书

本发明公开了一种以微晶石墨为碳源制备石墨烯/硅碳复合材料在锂离子电池的应用，将沉积有石墨烯/硅碳复合材料的铜箔用冲头冲成极片，在充满氩气的手套箱中，以锂片为对电极，隔膜是聚丙烯微孔膜，电解液是体积比1:1的碳酸二甲酯（DMC）和碳酸亚乙酯（EC）混合1 mol L‑1的六氟磷锂（LiPF6），组装成电池。使用沉积有石墨烯/硅碳复合材料的铜箔制备得到的锂离子电池具有可逆容量大、容量可设计、循环性能和大电流放电能力好、振实密度高的特点。

技术领域

本发明属于复合材料的制备技术领域，更具体的，涉及一种以微晶石墨为碳源制备石墨烯/硅碳复合材料在锂离子电池的应用。

背景技术

锂离子电池由于具有比能量大，工作电压高，安全性好，环境污染小等优点，在各种便携式电子设备，电动汽车和新能源存储等领域有广阔的应用前景。一般说来，负极材料作为锂离子电池储锂的主体，在充放电过程中实现锂离子的嵌入和脱出，是提高锂离子电池比容量，循环性，充放电等相关性能的关键。目前商业化的负极材料主要是以石墨为主的传统碳材料，而石墨理论的比容量只有372mAh/g，这很大程度上限制了锂离子电池总比容量的进一步提高。因此，发展新型的具有高比容量的负极材料十分紧迫。

硅被认为是最有潜力的新一代高容量锂离子电池负极材料，与传统的石墨负极材料相比，硅具有极高的质量比容量（4200mAh/g）是天然石墨的十多倍。硅在合金材料中的堆积密度与锂相近，因此硅还具有很高的体积比容量; 不同于石墨类材料，硅的高比容量源于硅锂的合金化过程，因而硅负极材料不会与电解液发生溶剂共嵌入，进而对电解液的适用范围更广; 相比于炭材料，硅有更高的脱嵌锂电位，可有效避免大倍率充放电过程中锂的析出，能够提高电池的安全性。但由于硅的体积膨胀，在充放电过程中会使其结构被破坏，使活性材料从集流体上脱落，且不断形成不可逆电解质膜，最终导致硅负极材料低的可逆容量、差的循环稳定性和倍率性能。硅碳复合纳米结构是抑制体积膨胀一种非常有效的途径。这主要是因为碳材料导电性能良好、体积变化小。硅材料被包覆以后，可增强材料的导电性能，避免硅纳米颗粒之间的团聚以及材料的膨胀，从而增长循环寿命，提高倍率性能。

石墨烯作为一种新型碳纳米材料，由单层sp2碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构。研究表明，石墨烯具有优异的电学、力学性能，高的理论比表面积，这些特性决定了其在锂离子电池领域的巨大应用潜力，已有不少研究者开展了利用石墨烯复合来改善锂离子电极材料电化学性能的研究。因此，制备硅碳复合纳米结构锂离子电池负极材料具有良好的经济效益和广阔的市场前景。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种以微晶石墨为碳源制备石墨烯/硅碳复合材料在锂离子电池的应用。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种以微晶石墨为碳源制备石墨烯/硅碳复合材料在锂离子电池的应用，将沉积有石墨烯/硅碳复合材料的铜箔用冲头冲成极片，在充满氩气的手套箱中，以锂片为对电极，隔膜是聚丙烯微孔膜，电解液是体积比1:1的碳酸二甲酯（DMC）和碳酸亚乙酯（EC）混合1 molL-1的六氟磷锂（LiPF6），组装成电池；

其中，沉积有石墨烯/硅碳复合材料的铜箔的制备方法如下：

S1.将0.5～5μm经提纯后含碳量不小于99%的微晶石墨粉末与1～10mg/mL氧化石墨烯分散液按体积比1:1~2混合均匀得混合溶液；

S2.按石墨微粉质量的1wt％往混合溶液中加入分散剂，然后进行超声分散处理形成悬浮液，加入三口烧瓶，置于超声雾化器上进行超声雾化，频率为20000Hz，时间为30min，形成混合雾珠；

S3.将步骤S2中三口烧瓶的一个口用橡胶塞密封，一个口接入惰性气体，另一个口连接管式炉，经过超声雾化后的混合雾珠，在惰性气体的保护下通入管式炉中进行气相沉积，所述气相沉积在预先水平放置在管式炉中的铜箔基体上进行，在400℃下沉积1h后，关闭超声雾化器；