[发明专利]一种以石墨烯为骨架的硅碳薄膜负极及制备方法

说明书

本发明公开了一种以石墨烯为骨架的硅碳薄膜负极及制备方法，属于锂离子电池领域。本发明所述的制备方法包括以下步骤：步骤1.在衬底上生长垂直石墨烯骨架；步骤2.将生长的垂直石墨烯骨架进行等离子处理；步骤3.在经步骤2处理后的垂直石墨烯骨架上生长硅材料。本发明设计科学，方法简单，操作简便。本发明创造性地先在衬底上生长垂直石墨烯，而后再在垂直石墨烯骨架上生长硅材料，从而可以将疏松的硅薄膜嵌入到垂直石墨烯片层之间形成硅碳负极，能很好地克服硅负极材料的问题，并且可以充分发挥垂直石墨烯的面内导电性能，提高离子嵌入与析出效率，对于制备大容量锂离子电池特别是固态电池具有重要意义。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种以石墨烯为骨架的硅碳薄膜负极及制备方法。

背景技术

锂离子电池因其优异的性能已经在便携式消费电子、电动工具、医疗电子等领域获得了广泛应用。同时，在纯电动汽车、混合动力汽车以及储能等领域也显示了良好的应用前景。

现在商业化的锂离子电池主要是以石墨为负极材料。但是，近年来各个领域对电池能量密度的需求飞速提高，迫切需要开发出更高能量密度的锂离子电池。所以开发更高能量密度的负极材料迫在眉睫。

硅材料的质量比容量最高可达4200mAh/g，远大于碳材料的372mAh/g，是目前已知能用于负极材料理论比容最高的材料。并且硅材料环境友好、储量丰富、成本较低。但是硅负极材料存在的问题有循环寿命低、体积变化大、持续产生SEI膜等问题。

因此，制备一种硅负极材料，能有效解决上述问题，进而提高锂电池电池容量，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的之一在于，提供一种以石墨烯为骨架的硅碳薄膜负极的制备方法，采用该方法制成的硅碳薄膜负极循环寿命高、体积变化小、不会持续产生SEI膜。

本发明还提供了采用该方法制成的以石墨烯为骨架的硅碳薄膜负极。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种以石墨烯为骨架的硅碳薄膜负极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.在衬底上生长垂直石墨烯骨架；

步骤2.将生长的垂直石墨烯骨架进行等离子处理；

步骤3.在经步骤2处理后的垂直石墨烯骨架上生长硅材料。

本发明通过先在衬底上生长垂直石墨烯，而后再在垂直石墨烯骨架上生长硅材料，从而可以将疏松的硅薄膜嵌入到垂直石墨烯片层之间形成硅碳负极，能很好地克服硅负极材料的问题。

在本发明的部分实施方案中，所述步骤1中，采用化学气相沉积法在衬底上生长垂直石墨烯骨架；优选为等离子体增强化学的气相沉积法，进一步优选地，采用等离子体增强化学的气相沉积法时，功率为10mW/cm²-200 mW/cm²。

本发明通过等离子体增强化学的气相沉积法，生成等离子体，从而保证石墨烯骨架的垂直生长。

在本发明的部分实施方案中，所述步骤1中，在衬底上生长垂直石墨烯骨架的温度为300-800℃。

在本发明的部分实施方案中，所述步骤1中，在衬底上生长垂直石墨烯骨架的碳源包括甲烷、乙醇、乙烯、乙炔中的任意一种或几种。

在本发明的部分实施方案中，所述步骤1中，在衬底上生长垂直石墨烯骨架的碳源的生长过程中通入氢气，其中碳源与氢气的原子比为1:5-1:25。

在本发明的部分实施方案中，所述步骤1生成的垂直石墨烯骨架的长度为50nm-10μm。