[发明专利]石墨烯卷包裹纳米硅颗粒复合电极材料及其制备方法

摘要

一种石墨烯卷包裹纳米硅颗粒复合电极材料及其制备方法，属于锂离子电池电极材料及其制备技术领域。该复合电极材料主体为石墨烯卷GS，直径为0.5～2微米，长度为10～30微米；纳米硅颗粒nSi包裹于石墨烯卷GS中，大小为30～100纳米，纳米硅颗粒nSi的质量百分含量为40～60％，该复合材料的化学组成描述为nSi@GS。石墨烯卷的卷曲结构极大增强了材料的结构稳定性，石墨烯卷优良的导电性使复合材料导电性有了很大提高，因此石墨烯卷包裹纳米硅颗粒复合电极材料具有高比容量、高倍率性能和高循环稳定性。此外，方法工艺简单，操作方便且试剂无毒，便于规模化生产。

主权项

1.一种石墨烯卷包裹纳米硅颗粒复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用Hummer方法制备氧化石墨，并按照氧化石墨与去离子水的质量比为1:10000～1:200的比例将氧化石墨分散在去离子水中，超声0.5～2小时将氧化石墨剥层为氧化石墨烯GO，在3000～5000转/分钟的转速下离心10～60分钟以除去未剥层的氧化石墨，保留上层的氧化石墨烯GO悬浮液；(2)按照纳米硅颗粒nSi与步骤(1)中氧化石墨的质量比为1:2～2:1的比例称取纳米硅颗粒nSi，并按照纳米硅颗粒nSi与去离子水的质量比为1:10000～1:500的比例将纳米硅颗粒nSi分散在去离子水中得到纳米硅颗粒nSi悬浮液，按照聚二烯丙基二甲基氯化铵PDDA与纳米硅颗粒nSi悬浮液的体积比为1:10～1:1的比例将聚二烯丙基二甲基氯化铵PDDA滴加入纳米硅颗粒nSi悬浮液中，超声0.1～1小时使聚二烯丙基二甲基氯化铵PDDA均匀附着在纳米硅颗粒nSi表面，使纳米硅颗粒nSi带正电荷，用去离子水洗涤3～5次以除去多余的聚二烯丙基二甲基氯化铵PDDA，最后向聚二烯丙基二甲基氯化铵PDDA处理过的纳米硅颗粒nSi中加入去离子水，达到与前述纳米硅颗粒nSi悬浮液相同的体积；(3)将步骤(1)得到的氧化石墨烯悬浮液与步骤(2)得到的聚二烯丙基二甲基氯化铵PDDA处理过的纳米硅颗粒nSi悬浮液按照体积比为1:2～2:1的比例混合，超声0.1～0.5小时使二者混合均匀，将得到的黄色悬浮液加热至50～100℃后转移至塑料烧杯中，将塑料烧杯迅速置于液氮中进行快速冷冻，并冷冻干燥20～40小时，得到黄色粉末；(4)将步骤(3)得到的黄色粉末在氢气‑氩气混合气体气氛下以2～6℃/分钟的速率升温到600～800℃并保温1～3小时，之后随炉冷却至室温；将煅烧得到的黑色粉末置于质量浓度为5～10％的HF溶液中，浸泡0.1～1小时以除去二氧化硅，离心分离，无水乙醇洗涤3～5次以除去HF；最后在50～100℃条件下真空干燥10～20小时即得到石墨烯卷包裹纳米硅颗粒nSi@GS黑色粉末；所述的石墨烯卷包裹纳米硅颗粒复合电极材料主体为石墨烯卷GS，直径为0.5～2微米，长度为10～30微米；纳米硅颗粒nSi包裹于石墨烯卷GS中，大小为30～100纳米，纳米硅颗粒nSi的质量百分含量为40～60％，该复合材料的化学组成描述为nSi@GS。