[发明专利]石墨烯基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了石墨烯基复合材料及其制备方法和应用，方法包括：(1)将镁盐溶液和碳酸盐溶液混合后抽滤和洗涤，将得到的固态物料分散水中，然后将分散浆料与含硅粉浆料混合，并喷雾干燥；(2)将前驱体置于高温反应器中持续升温，同时通入保护气，达到第一预定温度后，向高温反应器中通入含有保护气和氢气的第一气体；(3)将含有氧化镁和硅的复合材料置于高温反应器中持续升温，同时通入保护气，达到第二预定温度后，向高温反应器中通入含有保护气和碳源或含有保护气和含氮碳源的第二气体，得到石墨烯或氮原子掺杂石墨烯的MgO‑Si复合材料；(4)去除石墨烯或氮原子掺杂石墨烯的MgO‑Si复合材料中的氧化镁，然后水洗至中性，得到石墨烯基复合材料。

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，具体涉及一种石墨烯基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极活性物质，但其理论比容量仅有372mAh/g，使其不能满足电子设备小型化和车用锂离子电池大功率、高容量的要求。因此近年来硅的高理论比容量(4200mAh/g)和低嵌锂电位引起了人们的广泛研究。然而硅在脱嵌锂过程中会发生大的体积变化(＞300％)，造成了硅的粉化并导致容量的迅速衰减，限制了其作为活性物质的充分应用。

石墨烯具有高电子迁移率、高热导率、高表面活性等优异特性，在储能、催化、传感器、电子器件等领域均展现出良好的应用前景。其中，石墨烯在电化学储能领域中的应用是一个重要方面，而石墨烯微观结构和化学性质的设计是实现高性能电极材料的关键。

现有的电极材料存在以下问题：

(1)硅性能限制：硅作为负极材料存在一个问题是硅在嵌锂和脱锂的过程中体积变化较大，这会导致电极材料的粉末化，使得锂离子电池随着循环次数的增加储能容量下降较快，从而缩短锂离子电池的寿命，制约了其工业应用。因此，降低硅负极的体积效应是硅材料进行应用前亟待解决的一个重要问题。

(2)石墨烯结构调控难：目前普遍应用的石墨烯(主要是基于化学氧化还原法),其质量还不高，突出体现在大多数石墨烯产品的尺寸极不均一，且导电性还不高。这主要是由制备方法的局限性造成的,使得石墨烯结构产生缺陷，以及石墨烯的层数、尺寸等可控性较差。尽管在过去的十几年里,很多石墨烯制备方法被发展出来,如机械剥离法、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)、石墨氧化还原法、直接液相剥离法以及其他化学合成技术等。但是,这些方法在宏量制备、石墨烯层数和横向尺寸调控以及结构完整性等方面尚存在科学瓶颈。

(3)石墨烯/硅复合材料加工技术不成熟：传统的机械混合并不能保证硅和石墨烯的均匀复合，在多次的充放电过程中，硅仍然可能脱落，导致容量衰减较快。

因此，现有的制备电极材料的技术有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种石墨烯基复合材料及其制备方法和应用，采用该方法制备得到的石墨烯基复合材料不仅具有优异的导电性能，而且具有良好的循环性能，该石墨烯基复合材料制备的负极材料在充放电过程中，其中的石墨烯缓解了硅脱嵌锂时的体积变化，提高其电化学稳定性。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备石墨烯基复合材料的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)将镁盐溶液和碳酸盐溶液混合后进行抽滤和洗涤，并将得到的固态物料分散在水中，得到分散浆料，然后将所述分散浆料与含硅粉浆料进行混合，并对得到的混合浆料进行喷雾干燥，以便得到前驱体；

(2)将所述前驱体置于高温反应器中持续升温，同时通入保护气，达到第一预定温度后，向所述高温反应器中通入含有保护气和氢气的第一气体，以便得到含有氧化镁和硅的复合材料；