[发明专利]一种石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料的制备方法，所述复合材料由石墨烯层、硅纳米片和碳纳米管层构成，其制备方法如下：制备硅纳米片溶液；制备碳纳米管溶液；制备碳纳米管附着硅纳米片材料；制备氧化石墨溶液；制备氧化石墨/硅纳米片/碳纳米管复合材料；干燥后氢氩气氛下热处理还原得到石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料。本发明方法简单易行、可控性强、重复率高，并且本发明制备的石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料具有比容量高、倍率性能优异、循环稳定性好等优点，在锂离子电池负极材料的领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及能源材料技术领域，更具体的说是涉及一种石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种非常重要的储能技术，具有能量密度大、放电电压高、内阻较小、自放电小、没有记忆效应、环保无污染等优点，可大量应用于生活中的各种产品中，如手机、笔记本电脑、助听器、摄像机、电动汽车等。除此之外，锂离子电池也被广泛应用于鱼雷、飞机、微型机电系统等现代高科技领域。所以说，锂离子电池是人类理想的新型能源。但是，现在商品化的锂离子电池还存在许多不足，使得在高比能电源的应用上无法满足需求。目前的商品锂离子电池多采用石墨等碳质材料作为负极，因为其具有导电性好、循环寿命长等优点，但是比容量低(石墨理论比容量仅372mAh/g)，远远无法满足高比能电源系统的容量需求，因此，开发高容量、性能优异的负极材料成为了当前的研究热点。

硅材料由于具有较高理论储锂容量、低脱嵌锂电位(0.2-0.3V vs Li/Li⁺)，并且储量丰富，因此，被认为是最有可能替代石墨的负极材料。硅和锂可形成Li1₂Si₇，Li₇Si₃，Li₁₃Si₄和Li₂₂Si₅等多种相态的Li-Si合金，其理论容量高达4200mAh/g，是目前所研究的各种合金类负极材料中理论容量最高的负极材料。而且，锂嵌入硅的电压较低，嵌入过程中不存在溶剂分子的共嵌入，非常适用于用作锂离子电池的负极材料。其中，2D硅纳米片材料由于具有更快的锂离子扩散速率、更低的扩散势垒，因此逐渐被广泛研究并应用于锂离子电池负极材料中。但是，硅基材料最大的问题是硅与锂合金化和脱合金化过程中存在巨大的体积变化，这使得硅电极极易发生碎裂和粉化，进而影响电极材料的电化学性能。石墨烯是sp2杂化碳形成的六元环状二维结构，是多数石墨类材料的基本结构单元，具有极高的比表面积和优良的导电性。碳纳米管，是一种径向尺寸为纳米量级、轴向尺寸为微米量级的一维材料，并且具有良好的力学性能。将石墨烯、碳纳米管与硅材料复合能够显著提高导电性，并且复合后也会增加材料内部的孔隙率，是制备高性能硅基电极的有效方法。

因此，结合上述问题，提供一种石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料的制备方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料的制备方法，该方法简单可行，制备出的复合材料比容量高。

一种石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料，所述复合材料包括石墨烯层、硅纳米片和碳纳米管层，其中所述硅纳米片附着在碳纳米管上。

一种石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料，所述硅纳米片、碳纳米管和石墨烯的质量比为1：0.5～1.5：0.5～1.5。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯/硅纳米片/碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1，制备硅纳米片溶液：以蒙脱土为原材料，按照质量比为1:1:2的比例称量蒙脱土、镁粉、NaCl三种物质，混合均匀后在Ar气气氛下，升温至650℃镁热还原制备硅纳米片材料，将制得的硅纳米片分散至去离子水中，超声分散0.5-3h，超声功率为100-200W，得到硅纳米片溶液；