[发明专利]一种石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料及其制备方法，所述负极材料包括氧化纳米硅粉以及包覆在氧化纳米硅粉上的包覆层，所述包覆层为由异氰酸酯交联的氧化石墨烯和丙烯酸酯。本发明采用异氰酸酯化学键合石墨烯和氧化后的纳米硅粉作为活性材料，致密的氧化层和石墨烯的包覆，实现对硅粉的保护，而且石墨烯具有较好的力学性能和导电性，还可作为导电剂和粘接剂，而增加的丙烯酸酯作为第二粘接剂，将石墨烯与硅进行进一步交联，实现了高强度、高柔性和高比容量，且制备方便，具有良好的推广价值。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料及其制备方法。

背景技术

柔性锂电池可以应用于可穿戴式电子设备如柔性显示屏、植入式医疗器械等展现出越来越高的应用价值。普通锂电池电极由活性材料、导电材料和粘接剂混合后涂布于集流体上制得，由于集流体与活性物质层存在异相界面，此类电极在折叠或者弯曲的情况下容易产生脱落或粉化导致电极失效，不能满足柔性电子器件的需求。

一体化的薄膜电极材料由于其无需集流体、可弯曲折叠等优势被视为柔性锂电池的理想电极，但现有方法采用加大有机粘接剂的方式实现，但导致活性材料比率降低，导致电池容量下降。

石墨烯作为一种二维碳材料，具有高电导率、高比表面积、高机械强度且表面易进行功能化修饰等特点，因此在柔性电极方面具有重要的应用价值。但石墨烯一般为粉体，其于高分子粘接剂、活性材料之间的附着力较差，且难于分撒，导致添加量有限。

硅负极材料的理论储锂比容量高达4200 mAh/g，是商业化石墨负极的10倍，脱/嵌锂电位低（0-0.45V）与石墨的电压平台最为接近，放电平台长且稳定，并被认为是商业化石墨最具前景的替代材料。但硅负极材料在脱/嵌锂过程中存在剧烈的体积效应（体积变化高达300%），这将会导致电极材料的粉碎，导电网络的破坏，最终失去导电连接，造成失效。现有方案为采用碳化合，制备成硅碳复合材料，但最终导致有效硅含量不到20%，高比容量优势被显著削弱。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料及其制备方法，旨在解决现有技术中硅负极材料性能不佳的问题。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料的制备方法，其中，包括步骤：

取纳米硅粉并用酸处理去除表面疏松的氧化层；

将酸处理后的纳米硅粉加入酸性高锰酸钾溶液，得到表面具有一层致密氧化层的氧化纳米硅粉；

将氧化纳米硅粉、氧化石墨烯、异氰酸酯、催化剂加入甲苯中，加热、冷凝回流，再加入丙烯酸酯并加热、冷凝回流，进行交联反应形成浆料；

将浆料涂覆制成薄膜、固化，即制得石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料。

所述的石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料的制备方法，其中，所述浆料中，氧化纳米硅粉、氧化石墨烯、异氰酸酯和丙烯酸酯的质量比为40~60 ：30~5：5~10 ：1~5。

所述的石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料的制备方法，其中，所述纳米硅粉的直径100~600纳米，氧化纳米硅粉外部氧化层厚度5~10纳米。

所述的石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料，其中，所述氧化石墨烯含氧量为5~10wt%。

所述的石墨烯硅基柔性复合锂电池负极材料的制备方法，其中，所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和赖氨酸二异氰酸酯的一种或几种。