[发明专利]一种硅-石墨烯-多孔碳复合物电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅‑石墨烯‑多孔碳复合物电极材料及其制备方法和应用。电极材料中，石墨烯与纳米硅颗粒紧密接触，纳米硅颗粒高度分散，碳成无定型网状，包覆硅石墨烯复合物。所述制备方法包括：将纳米硅与石墨烯混合球磨后得硅石墨烯复合物；将硅石墨烯复合物与碱土金属氧化物分散于盐酸多巴胺溶液中，过滤干燥后进行热处理，热处理结束后进行后处理，制得硅‑石墨烯‑多孔碳复合物电极材料。本发明还提供了所述的硅‑石墨烯‑多孔碳复合物电极材料在制备锂离子电池负极中的应用。本发明硅‑石墨烯‑多孔碳复合电极材料，具有可逆容量高、循环稳定性好、可规模化生产等优点。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，特别涉及一种高容量、长寿命、低成本的硅-石墨烯-多孔碳复合物电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)等新兴市场出现，对锂离子电池(LIB)产生巨大需求。

目前商用的负极材料主要为石墨碳素类的碳材料，其最大理论比容量仅为372mAh/g，制约了锂电池容量的进一步提高。硅由于其高理论容量，大约为4200mAh/g(Li_4.4Si合金)，资源丰富，是新一代最有希望的电极材料。硅电极的锂化平台电压比石墨电极的平台电压高，能有效避免锂枝晶的形成，提升锂离子电池的安全性。但是硅基电极在嵌锂脱锂过程中，会导致硅基电极体积的膨胀，大约为300％，从而导致电极材料结构的破坏和电极的剥落、粉化、电导率的下降，进而电池容量迅速衰减。

发明内容

发明目的：为提升硅电极的导电性，延缓硅电极粉化、开裂的发生，本发明制备了一种多孔碳网包覆于硅石墨烯复合物的硅-石墨烯-多孔碳电极材料；本发明的另一个目的是提供所述硅-石墨烯-多孔碳电极材料的制备方法及应用。

技术方案：

一种硅-石墨烯-多孔碳复合物电极材料，具有如下结构：石墨烯与纳米硅颗粒紧密接触，纳米硅颗粒高度分散，碳成无定型网状，覆盖于硅石墨烯复合物。

本发明还提供了所述的硅-石墨烯-多孔碳复合物电极材料的制备方法，包括：将纳米硅与石墨烯混合球磨后得硅石墨烯复合物；将硅石墨烯复合物与碱土金属氧化物分散于盐酸多巴胺溶液中，过滤干燥后进行热处理，热处理结束后进行后处理，制得硅-石墨烯-多孔碳复合物电极材料。

所述纳米硅与石墨烯的质量比为3～6:1，纳米硅质量过低，会使得电极材料容量不高，纳米硅质量过高会使得电极材料稳定性降低，所述纳米硅粉和石墨烯的优选质量比为4～5:1，进一步优选为4.5:1。

所述球磨的时间为2～15小时。球磨时间过短不利于纳米硅粉与石墨烯的均匀混合，球磨时间过长会导致硅颗粒的形状不规则化，所述球磨优选时间为3～10小时，进一步优选为6h。

所述硅石墨烯复合物与碱土金属氧化物的质量比为1:0.1～3.5。碱土金属氧化物如氧化镁粉为造孔模板，含量过低时，复合材料的孔容较小，不能为硅提供足够的膨胀空间；含量过高时，制备出的复合材料比表面积过大，首次库伦效率降低；优选，所述硅石墨烯复合物与碱土金属氧化物的质量比为1:1～3，进一步优选为1:1。

所述氧化镁粉粒径为10～500nm，进一步为30～200nm，但并不限于此。

所述盐酸多巴胺溶液的浓度为1～20mM。当盐酸多巴胺溶液浓度过高时，复合电极材料含碳量会增加，放电容量会降低。但是巴胺溶液浓度过低，复合电极材料中的碳含量过低，不容易形成联络的网状结构，充放电稳定性不高。优选，所述盐酸多巴胺溶液的浓度为5～15mM，进一步优选为10mM。

所述盐酸多巴胺溶液的溶剂为标准tris缓冲液，PH为7～9。优选PH为8.5的tris缓冲液对于盐酸多巴胺的包覆性能最佳，并且相比于其他碳材料来说，多巴胺的包覆更加均匀可控，具有优异的性能。