[发明专利]一种纳米硅-石墨烯气凝胶多孔复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米硅‑石墨烯气凝胶多孔复合材料及其制备方法。其技术方案是：将溶剂加入到石墨烯氧化物溶液中，搅拌，得到浓度为2.0～6.0Kg/m³的溶液Ⅰ；再按纳米硅颗粒∶石墨烯氧化物的质量比为1∶0.05～0.20，向所述溶液Ⅰ中加入纳米硅颗粒，超声处理，得溶液Ⅱ。将溶液Ⅱ移到反应釜中，在170～190℃溶剂热反应6～10小时，洗涤，冷冻，于‑70～‑60℃条件下干燥24～48小时，然后置于管式炉中，在保护气氛和500～700℃保温2～4小时，随炉冷却，制得纳米硅‑石墨烯气凝胶多孔复合材料。本发明具有工艺简单、操作方便和易于工业化生产的特点，所制制品的孔隙结构稳定，循环性能优良和电化学充放电性能优异。

技术领域

本发明属于纳米硅-石墨烯负极材料技术领域。具体涉及一种纳米硅-石墨烯气凝胶多孔复合材料及其制备方法。

背景技术

环境污染与能源危机等问题日益成为全球关注的热点，新能源的开发成为目前重要的研究方向之一。太阳能、核能、海洋潮汐能、风能和生物质能等新型清洁能源具有不连续性和不稳定性等特点，化学能源可以实现化学能与电能之间的转化和存储，在日常生活和生产中起着至关重要的作用。

锂离子电池具有工作电压高、比能量高、工作温度范围宽、放电平稳、体积小和质量轻等优点，在便携式电子设备、电动汽车和储能等领域展示了广阔的应用前景。然而目前规模化生产的锂离子电池普遍存在比容量较低、循环性能较差、倍率性能不佳等问题，其中电极材料是限制其性能提升的主要瓶颈。目前商业化锂离子电池负极材料以石墨类为主，但因其理论比容量较低(372mA h/g)，嵌锂电位接近金属锂，快速或低温下充放电易发生“析锂”现象而引发安全隐患，无法满足高能动力型锂离子电池的发展需求。因此，开发高比容量的锂离子电池负极材料很有必要，其中合金类材料(如硅基材料)受到广泛关注。

锂与硅反应可形成多种嵌锂化合物(如Li₁₂Si₁₇、Li_l3Si₁₄、Li₇Si₃、Li₂₂Si₅等)，理论比容量高达4200mAh/g，同时硅具有放电电位相对较低、储量丰富和环境相容性好等优点。但硅负极材料在脱嵌锂过程中有着较为严重的体积效应(～300％)，会导致活性材料粉碎、电极结构坍塌和难以形成稳定的固体电解质相界面膜(SEI膜)，导致容量迅速衰减，同时较低的载流子输运性质也导致倍率性能较差。硅负极材料的改性方法主要有碳包覆、纳米化、合金化或采用多孔结构等。其中，碳包覆和制备多孔负极材料能够显著改善硅材料的电化学性能，受到研究人员的广泛重视。

目前，碳包覆通常采用无定形碳，如“一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法”(CN107634208A)专利技术，其使用的无定形碳层对复合材料导电性提升有限，且碳层不均匀易造成孔隙堵塞。石墨烯作为二维纳米碳材料，具有更好的导电性能、更薄的导电包覆层、更大的比表面积，能够改善硅材料固有的在充放电过程中体积变化剧烈、电导率低等问题。如“石墨烯/硅/碳纳米管复合材料及其制备方法与应用”(CN105576203A)专利技术，将得石墨烯、硅和碳纳米管使用物理方式混合制备成复合材料应用于锂离子电池负极材料，具有容量高、效率高和循环性能好等特性。改专利将三者原料制备成石墨烯/硅/碳纳米管复合材料并没有形成稳定的结构。

发明内容

本发明旨克服现有技术缺陷，目的在于提供一种工艺简单、操作方便和易于工业化生产的纳米硅-石墨烯气凝胶多孔复合材料的制备方法，用该方法制备的纳米硅-石墨烯气凝胶多孔复合材料的孔隙结构稳定，电化学充放电性能和循环性能优异。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

1)按照浓度为2.0～6.0Kg/m³，将溶剂加入到石墨烯氧化物溶液中，搅拌1～2小时，即得溶液Ⅰ。