[发明专利]一种SiNPs@CA@GO复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种SiNPs@CA@GO复合材料及其制备方法与应用，属于锂电池技术领域。本发明中将硅纳米颗粒表面首先进行柠檬酸的包覆，形成CA@SiNPs，再与氧化石墨烯(GO)进行复合，形成化学键连接的SiNPs@CA@GO复合电极，容量维持在约1500mAh·g^‑1。本发明SiNPs@CA@GO中CA可以起到SiNPs表面包覆层的作用，有效阻隔SiNPs与电解液相互接触，从而使硅负极循环稳定性得到提升。本发明制作工艺简单，容易制备，环境友好，易于实现工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种SiNPs@CA@GO复合材料及其制备方法与应用，属于锂电池技术领域。

背景技术

传统的商业化锂离子电池负极多采用碳基材料，碳基材料容量较小，已经无法满足人们对大容量的锂电池的迫切需求。因此，开发新的锂离子电池负极材料迫在眉睫。

硅负极材料具有最高的理论比容量(4200mAh/g)，同时具有较低的嵌锂/脱锂电势，同时硅也是地壳中的第二大元素，含量多来源广。因此，硅材料可以用来开发新一代的锂离子电池，以便提高其容量。但是因为其循环过程中会产生巨大的体积膨(>300％)，可能会导致颗粒粉碎，与导电添加剂和集流体的点接触损失，甚至从集流体脱落；硅的本征电导率低；SEI膜的不稳定性，硅颗粒表面和电解液相互接触，会在表面产生SEI膜，硅颗粒如果破碎会生成新的表面导致新的SEI膜产生，消耗电解质，增加阻抗，导致容量衰减。

针对硅负极的三大缺点，主要有三类的解决方案：第一是设计成不同形态的纳米硅，例如：纳米线、纳米管、中空结构和多孔结构等，这些都有利于锂离子和电子的传输。第二是复合导电材料，例如：普通碳、碳纳米纤维、碳纳米管等，都可以提高复合材料的导电性。第三是进行包覆，例如：碳包覆、金属包覆等。

开发更好的锂离子电池硅纳米颗粒负极材料已经成为了一个新的努力的方向，由于当其涂覆石墨烯后具有表面积大，机械弹性强，化学稳定性高等优异的性能，因此涂有石墨烯的硅纳米颗粒已成为一个极有前途的锂离子电池负极材料候选者。

最近，科学家们已经开发出几种方法来制造硅纳米粒子和石墨烯复合材料。 2011年，Lee等人开发了一种便利途径通过过滤硅/氧化石墨烯溶液来制备硅纳米颗粒和石墨烯复合材料；Zhou等人使用静电力自组装的方法将硅纳米颗粒均匀地封装在石墨烯上。同时，其他科学家也已经提高了在工作硅/石墨烯复合物中硅纳米颗粒的形态，这也可以增加特定的容量。据认为，该多孔结构可以容纳在循环期间发生的体积变化，并且石墨烯有利于电子和锂离子的传输，用于提高其电导率。

上述的方法均可以在一定程度上克服硅的三大缺点，使电池的容量和电化学性能得到提升。但是，目前商业化粘结剂PVDF化学合成过程复杂，价格昂贵，只能以范德华力与负极材料相结合，保形性差，对于具有严重体积变化的硅基材料不能提供足够的粘结力，导致电极材料易从集流体上粉化脱落，从而电池循环性能不稳定，容量迅速衰减。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种SiNPs@CA@GO复合材料，从而使电池容量提升，循环稳定性提高。

本发明的第一个目的是提供一种纳米硅氧化石墨烯(SiNPs@CA@GO) 复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅纳米颗粒分散在水中，加入柠檬酸，搅拌得到纳米硅颗粒/ 柠檬酸复合材料(SiNPs@CA)；

(2)将氧化石墨烯分散在水中，超声处理，使氧化石墨烯分散更均匀；

(3)将步骤(2)中处理后的氧化石墨烯加入到步骤(1)中的纳米硅颗粒/柠檬酸复合材料中，超声处理，干燥后得到纳米硅氧化石墨烯复合材料(SiNPs@CA@GO)。

在本发明的一种实施方式中，所述硅纳米颗粒的粒径为20～60nm。