[发明专利]一种采用绝缘导电原理的硅-石墨烯复合电极

说明书

一种采用绝缘导电原理的硅‑石墨烯复合电极，其原理为：利用绝缘导电材料（例如SEI材料）对电子是绝缘的，但是对锂离子、钠离子、铝离子等阳离子是导通的特点，在电极材料颗粒（例如三元材料、硅、锡等颗粒）表面包覆一层绝缘导电材料，然后把包覆了绝缘导电材料的电极材料颗粒固定在少层石墨烯焊接成的三维石墨烯框架之内，且在三维石墨烯层上开有纳米孔，以方便金属阳离子的出入。

技术领域

本发明涉及电池电极制备技术领域，特别是涉及一种硅-石墨烯三维复合电极的制造方法。

背景技术

锂离子电池与传统的二次电池相比具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、自放电小、无记忆效应等优势，已经被广泛应用于移动电子设备和电动汽车领域。目前，已经商品化的锂离子电池负极材料主要是石墨等碳系材料，其放电容量基本在350mAh/g左右，无法满足未来锂离子电池对高能量密度的需求。

硅是目前人类至今为止发现的比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料,是一种最有潜力的负极材料，但硅作为锂电池负极应用存在四个主要问题：

第一个问题是硅在反应中会出现体积膨胀和粉化的问题。通过理论计算和实验可以证明嵌锂和脱锂都会引起体积变化，这个体积变化是320%，限制硅作为电池负极材料的使用。

第二个问题是硅与电解液持续的反应，在电极表面产生不断生长的SEI膜的，随着循环次数的增加，电池性能不断的下降。要解决上述两个问题，必须采取复合材料的方式。

第三个问题是硅在镶嵌和脱嵌锂离子的过程中，体积变化比较大，产生较大的应力，造出硅颗粒的粉化，粉化的颗粒会继续和电解液反应，消耗电解液中的锂离子。

第四个问题是硅的导电性差，纯硅在室温下导电率极低，接近绝缘体，而作为电极确需要尽可能高的导电性。

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。单层和少层石墨烯具有的优异的导电性、导热性、高强度被认为非常适合用于电池储能领域。但是从现有的石墨烯/硅复合电极研发情况来看，普遍存在寿命偏低的情况，导致硅负极材料一直无法大规模量产。

近年来，石墨烯和硅复合作为锂离子电池负极材料的报道屡见不鲜。但是当前的已有石墨烯/硅负极材料生产方法，只是采用在硅颗粒表面包覆石墨烯的方式，部分解决了硅电极的膨胀问题和导电性差的问题。对于硅电极的粉化和SEI膜的不断生长并没有得到很好的解决。而且，由于石墨烯和硅的稳定性都很好、熔点都很高，很难结合在一起，构建的三维石墨烯网格并不牢固，随着硅电极的膨胀和收缩，石墨烯网络也会塌陷，导致性能大幅下降。因此，开发一种高机械强度与长循环寿命的硅-石墨烯复合负极材料是锂离子电池领域的技术难题。

SEI（Solid Electrolyte Interphase）膜的全称是“固体电解质界面膜”，是在液态锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化膜是电子绝缘体，却是Li+ 的优良导体，Li+ 可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出，本发明称其具有绝缘导电功能。SEI 膜还具有有机溶剂不溶性，在有机电解液中能稳定存在，并且电解液溶剂分子不能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，提高循环性能和使用寿命。

为了全面解决上述额五大关键问题，本发明通过在硅颗粒表面包覆一层SEI材料，让硅材料和电解液无法直接接触，并把石墨烯片层焊接在一体的方式，开发出长寿命的石墨烯-硅复合负极。

发明内容