[发明专利]一种孔隙率可控的石墨烯改性硅碳复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种孔隙率可控的石墨烯改性硅碳复合材料的制备方法，具体制作步骤如下：步骤一、制备预分散的粗硅粉浆料：首先将分散剂和助剂加入至溶剂中，搅拌溶解完全，再加入粒径为1～10um的高纯金属硅粉，搅拌分散均匀后得到粗硅粉浆料；步骤二、制备纳米级硅浆料：将步骤一得到的粗硅粉浆料加入分散罐中，向分散罐中通入保护气体，按球料比200～20：1向球磨罐中加入球磨介质；步骤三、制备纳米硅粉；步骤四、制备石墨烯改性纳米硅复合浆料；步骤五、制备用于储能材料的石墨烯改性硅碳复合材料。该方法制备的石墨烯改性纳米硅孔隙率可控，具备机械强度高、比表面积低、电导率高、首次效率高和循环保持率高的优点。

技术领域

本发明涉及储能材料技术领域，具体为一种孔隙率可控的石墨烯改性硅碳复合材料的制备方法。

背景技术

随着能源需求的飞速发展，锂离子电池的能量密度以每年7％～10％的速率提升，石墨碳类负极材料容量已做到360mAh/g，已经接近理论克容量372mAh/g，其提升空间很难实现，开发新型锂电负极材料迫在眉睫，硅具有超高的理论嵌锂容量(4200mAh/g)，约为炭材料的十倍，且具备与石墨类似的充放电平台，价格低廉储量丰富等优点，但是在脱嵌锂过程中，单一的硅材料会产生严重的体积变化(300％)，进而导致材料粉化，与集流体和导电剂失去电接触，致使容量迅速衰减，目前硅负极材料重点在于解决充放电过程中，硅的体积膨胀及电导率差这两个核心问题。

研究表明，将硅材料纳米化，再与其他材料复合形成新型复合材料可以降低体积效应，提高电导率，从而显著提高硅材料的电化学性能，纳米硅的制备方法主要有机械球磨，化学气相沉积法，激光烧蚀法，液相法等，其中化学气相沉积法，激光烧蚀法，液相法等方法制备的产量低、成本高、且制备出来的纳米硅稳定性和粒径均一性差，不适合规模化生产，机械球磨法具有操作简单、产量高、成本低、粒径均匀等优点，而纳米硅在进行碳包覆时控制一定的孔隙率和机械强度才能保证硅碳复合材料的结构在充放电循环时不会坍塌、粉化，失去和集流体，导电剂，粘结剂的接触。

发明内容

本发明的目的在于提供一种孔隙率可控的石墨烯改性硅碳复合材料的制备方法，该方法制备的石墨烯改性纳米硅孔隙率可控，具备机械强度高、比表面积低、电导率高、首次效率高和循环保持率高的优点，解决了上述背景技术中机械球磨法制备纳米硅存在的技术的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种孔隙率可控的石墨烯改性硅碳复合材料的制备方法，具体制作步骤如下：

步骤一、制备预分散的粗硅粉浆料：首先将分散剂和助剂加入至溶剂中，搅拌溶解完全，再加入粒径为1～10um的高纯金属硅粉，搅拌分散均匀后得到粗硅粉浆料，其中硅粉、分散剂、助剂和溶剂的重量比为1：0.1～2：0.01～0.1：8～20；

步骤二、制备纳米级硅浆料：将步骤一得到的粗硅粉浆料加入分散罐中，向分散罐中通入保护气体，按球料比200～20：1向球磨罐中加入球磨介质，设定球磨线速度为300～800m/s，进料泵压力为0.1～0.4MPa，开始循环球磨，球磨时间为4～8h；球磨后，得到均匀分散的纳米级硅浆料，该纳米级硅浆料中纳米硅粒径为10nm～200nm；

步骤三、制备纳米硅粉：将步骤二得到的纳米级硅浆料进行喷雾干燥，得到纳米硅粉；

步骤四、制备石墨烯改性纳米硅复合浆料：将已经分散好的少层石墨烯复合导电浆料和步骤三得到的纳米硅粉体按质量比0.02～0.2：1混合，且上述少层石墨烯复合导电浆料的固含量为3～10％，然后将硅烷偶联剂、聚丙烯腈、沥青、减水剂和引气剂按质量比0.05～0.5：0.5～2.5：0.2～1.5：0.02～0.2：0.005～0.05在保护气氛下加入至高压反应釜中，温度范围和沥青软化点一致为50-300℃，时间为1-5h，均匀搅拌、包覆后得到石墨烯改性纳米硅复合浆料，反应釜压力为0.1～1.5MPa；