[发明专利]一种硅掺杂的石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池材料领域，公开了一种硅掺杂的石墨烯复合材料及其制备方法和应用，该硅掺杂的石墨烯复合材料，包括硅和石墨烯；硅掺杂在石墨烯中。本发明的硅掺杂的石墨烯复合材料具有优异的充放电容量和结构稳定性；硅掺杂的石墨烯复合材料是在石墨烯结构的基础上，硅原子取代石墨烯二维网状结构的碳原子。本发明的硅掺杂的石墨烯复合材料具有类似于石墨材料层状结构，却又优于其他石墨烯材料的充放电容量，这得益于硅掺杂位置构筑了更多的嵌锂位点。

技术领域

本发明涉及电池材料领域，尤其是涉及一种硅掺杂的石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长和环境污染少等优点，成为世界各国研究的重点，并且在电脑、手机和其他便携式电子设备中得到了广泛应用。然而，随着电动汽车和先进电子设备的快速发展，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。如何提高锂离子电池的能量密度，关键在于电极材料的改善和性能的提高。目前商用锂离子电池的负极材料以石墨类材料为主，由于其理论比容量较低(比容量只有372mAh/g)，且倍率性能不佳。因此，科学家们致力于研究新型的高容量负极材料，硅由于具有很高的理论比容量(4200mAh/g)而备受关注，其脱嵌锂电压平台低(0.5V)，与电解液反应活性低，在地壳中储量丰富，而且价格低廉，作为锂离子电池负极材料，具有广泛的发展前景。然而，硅在脱嵌锂过程中体积发生巨大的变化(300％)，导致活性物质在充放电循环过程中发生急剧粉化脱落，使得电极活性物质和集流体之间丧失电接触。同时，由于硅材料的巨大体积膨胀，使得固体电解质界面膜在电解液中无法稳定地存在，导致循环寿命降低和容量损失。此外，硅的低电导性，严重限制了其容量的充分利用和硅电极材料的倍率性能。目前，解决这些问题的方法包括：纳米化、复合化和其他方法。纳米化和硅碳复合技术是科学家们的研究重点，且取得了显著的进步，提高了硅负极材料的循环性能和倍率性能。

硅基材料由于其理论比容量高，可作为锂离子电池负极材料，但是在充放电过程中存在巨大的体积效应，导电率低和循环寿命不理想等缺点，阻碍了其商业化应用，但是不可否认该材料具有很大的应用前景。最大程度降低首次不可逆容量，缓解材料的体积膨胀，从而改善倍率和循环性能是科学家研究的重点。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种硅掺杂的石墨烯复合材料及其制备方法和应用，该硅掺杂的石墨烯复合材料具有优异的充放电容量和结构稳定性，硅掺杂的石墨烯复合材料是在石墨烯结构的基础上，硅原子取代石墨烯二维网状结构的碳原子。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种硅掺杂的石墨烯复合材料，包括硅和石墨烯；所述硅掺杂在石墨烯中(即在每层石墨烯中，有部分的碳被硅取代，硅与每层石墨烯中的其他碳通过硅碳键连接)。

优选地，所述硅掺杂的石墨烯复合材料中硅与碳的摩尔比为1：(10-120)。

进一步优选地，所述硅掺杂的石墨烯复合材料中硅与碳的摩尔比为1：(20-100)。

一种硅掺杂的石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将所述石墨烯在氨气气氛中微波加热，得到掺氮石墨烯；

(2)将所述掺氮石墨烯、纳米硅颗粒、有机酸加入溶剂中，进行溶剂热反应，洗涤，得到所述硅掺杂的石墨烯复合材料。

优选地，步骤(1)中，所述微波加热的温度为100℃-120℃，微波加热的时间为20-40min。

优选地，步骤(2)中，所述有机酸为一水合柠檬酸。

优选地，步骤(2)中，所述掺氮石墨烯、纳米硅颗粒和有机酸的质量比为1:(0.01-0.1):(1-3)。

优选地，步骤(2)中，所述溶剂为无水乙醇。