[发明专利]一种硅基石墨烯复合材料

说明书

本发明公开了一种硅基石墨烯复合材料，其复合材料内核为石墨烯与硅氧化合物形成的复合体，外壳为氮掺杂无定形碳层。其制备过程为：将氧化石墨烯溶液与碱性硅烷化合物在混合均匀后进行水热反应，得到水凝胶，之后浸泡于氯化镍溶液中，过滤、干燥、碳化，之后通过CVD法在其表面沉积碳氮层最后得到硅碳石墨烯复合材料。该负极材料，利用氧化硅与石墨烯之间的化学键降低其阻抗并提高其锂离子的传输通道，同时外层的碳氮层提高其材料的电子传输速率，提高其倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体地说是一种硅基石墨烯复合材料。

背景技术

硅碳负极材料是近几年发展起来的一种新型负极材料，并以其比容量高、原料来源广泛、安全性能高等优点而成为研究的热点，并应用于高比能量密度锂离子电池。但由于硅材料本身导电性能差，加之在充放电过程中产生的严重体积效应，造成材料结构的破坏和机械粉化，导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，致使电极的循环性能急剧下降，同时其由于硅自身的导电性能差造成低温及其快充性能偏差。而提高硅碳材料快充及其低温措施之一是：在其表面包覆导电率高的石墨烯材料，一方面提高其材料的电子导电性，另一方面，抑制其膨胀提高其循环性能。而目前的硅碳与石墨烯复合一般是通过物理方法将两种材料混合，其存在硅碳与石墨烯之间仅仅通过物理吸附结合在一块，结合力差，其在充放电过程中反复膨胀造成其结合力差，影响其循环性能及其倍率性能。如通过化学法将石墨烯与硅碳通过化学键将石墨烯与硅碳结合在一块，一方面可以提高其材料之间的接触提高其电子导电率，另一方面，石墨烯自身高的电子导电率提高其材料倍率性能，并降低材料在充放电过程中的膨胀及提高导电性。

发明内容

针对目前硅碳复合材料存在的膨胀力大、循环性能差、导电率差等方面的缺陷，本发明通过化学法将氧化硅与石墨烯之间的相互作用降低其阻抗，并提高其锂离子的传输通道，同时外层的碳氮层提高其材料的电子传输速率，提高其倍率性能。

一种硅基石墨烯复合材料，其复合材料呈现核壳结构，内核为石墨烯与硅氧化合物形成的复合体，外壳为氮掺杂无定形层，其厚度比，内核：外壳＝100:(1～10)；内核质量比，石墨烯：硅氧化合物＝1:(0.1～10)；其制备方法为：

(1)将碱性硅烷化合物添加到氧化石墨烯溶液中搅拌均匀化后，之后添加双氧水，超声搅拌均匀后，转移到高压反应釜中，并在温度为(100～200)℃，反应(6～72)h，压力为(1～5)Mpa，之后过滤，洗涤，真空干燥得到石墨烯/硅化合物水凝胶；

质量比：碱性硅烷化合物：氧化石墨烯：双氧水＝100:(1～10):(0.5～2)；

(2)配置摩尔浓度为0.05～0.1mol/L的氯化镍水溶液，之后将石墨烯/硅化合物水凝胶添加其中，并浸泡(1～48)h，之后过滤、干燥，之后转移到管式炉中，首先通过惰性气体排出管内的空气，之后通过碳源气体，并以升温速率为(1～10)℃/min升温到(800～1100)℃，并保温(6～72)h，之后在惰性气氛下降温到室温，之后放置到0.1mol/L的稀盐酸中浸泡，去除氯化镍，之后洗涤、干燥得到石墨烯/硅氧化合物复合材料；

质量比，氯化镍：石墨烯/硅化合物水凝胶固体＝(0.5～5):100。

所述步骤(1)中碱性硅烷化合物为γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷，γ-氨丙基三甲氧基硅烷，γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种。

所述步骤(1)氧化石墨烯的浓度为(1～10)mg/ml。

所述步骤(2)碳源气体为甲烷、乙炔、乙烯、乙烷中的一种。

有益效果：

1)通过化学法将氧化石墨烯与碱性硅烷化合物通过材料表面的羧基和氨基进行进行反应形成化学键连接的石墨烯/氧化硅化合物，其具有结合力强、导电率高、均匀性强等特性，通过外层包覆有含氮的碳层，提高其材料的导电性。

说明书附图