[发明专利]一种制备硅-碳复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种制备硅‑碳复合材料方法，将块状多晶硅原料机械破碎后，使用干法研磨和超微粉碎技术研磨至粉末，在水溶性表面活性剂的辅助下，通过多级研磨制得纳米硅浆料；使用真空匀浆技术将适当比例的石墨烯与纳米硅混合均匀，再通过喷雾干燥、造粒和过筛等过程，得到硅‑碳复合材料。本发明在制备纳米硅过程中不需使用有毒试剂，且不需要酸溶、刻蚀和洗涤等复杂过程，清洁环保、产品纯度高，是最有效率且最合乎经济效益的方法；而真空匀浆、喷雾干燥、造粒、过筛等都是工业化成熟的操作，即此方法可以实现硅‑碳复合材料的规模化工业生产，且通过设计工艺参数，制备不同性能的硅碳材料。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料制备技术领域，具体涉及一种制备硅-碳复合材料的方法。

背景技术

伴随着经济全球化和化石燃料的大量使用，环境污染和能源短缺的问题日渐突出。寻求新的可替代、可再生、可持续的新能源是重要的发展方向，锂离子电池作为新能源领域的一个重要代表，已被广泛地应用于生活、生产、军事和科研等多个领域。而提高锂离子电池的比容量、改善它的循环性能和延长电池寿命，已经成为锂离子电池未来发展的重点，负极材料的电化学性能对锂离子电池的工业化和发展前景有着举足轻重的作用。

负极材料是锂离子电池的关键材料之一，从锂离子电池的发展简史来看，负极材料的发展促使锂离子电池进入商业化应用。最初的锂离子电池采用的是金属锂为负极材料，但金属锂在充电时容易产生锂枝晶而导致起火或爆炸等安全问题。后续开发了锂合金材料，期望解决上述的安全性问题，但合金材料在嵌锂和脱锂时容易发生体积膨胀，导致循环性能下降。经过进一步的研究和比较，最终选择了石墨化的碳作为锂离子电池的商业化负极材料。碳质材料主要具有以下优点：比容量较高、电极电位低、循环效率高、循环寿命长，但随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高，动力电池相关材料也向着更高能量密度的方向发展。传统锂离子电池的石墨负极已经无法满足现有需求，高能量密度的负极材料成为企业追逐的新热点。

石墨烯，因其具有优异的热学、电学和力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学等方面具有重要的应用前景，自2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法首次从石墨中获得石墨烯之后，各国均大力投入对石墨烯的研究。近年来研究发现，石墨烯具有优异的电子传导性能，可在电极材料颗粒间构成三维电子和离子传输网络结构。而锂离子电池充放电速度是由锂离子在电极中的传输和脱嵌速度所决定，即石墨烯材料应用到锂电池中，可大幅度提升锂离子电池的充放电速度，实现电池技术的巨大突破，并将推动新能源产业实现跃进式发展。

然而，这种锂离子电池受制于石墨烯制备过程的复杂性，成本较贵；而且石墨烯材料虽具有非常高的导电和导热速率，但作为锂电池负极材料时，存在首次循环库仑效率低、充放电曲线滞后严重等问题，因此很难单独作为电极材料使用。尽管如此，若石墨烯独特的柔性结构与高容量金属或其它纳米粒子复合，用作负极材料，则具有得天独厚的优势。

关于锂离子电池负极的石墨烯基复合材料的研究报道较多，主要是与金属、金属氧化物或硅等的复合。而硅是目前众多负极材料中能量密度最高的，石墨烯粉体的加入可以克服硅负极材料在电池充放电储锂过程中由于体积剧烈膨胀、发生粉碎，进而导致电池寿命缩短和循环稳定性变差的问题。同时硅材料的比容量可达4200 mA·h/g，并且硅材料储量丰富、价格较低、绿色无毒；即石墨烯和硅材料都具有作为锂离子电池负极的某些优点，二者结合可以弥补各自的不足，发挥各自优势，制备出高性能锂电池负极材料。这种硅-石墨烯复合材料必将在高能量密度、高功率密度要求的动力锂离子电池领域获得应用，大大提升动力电池的综合性能，推动电动工具、新能源汽车、航空航天等领域的发展。