一种石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备及应用方法技术

一种石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备及其应用方法，属于电极材料制备领域。本发明专利技术以铝硅为原料，经过熔炼、机械球磨和化学刻蚀制备形成多孔硅，再将多孔硅、氧化石墨烯和碳源通过球磨、喷雾干燥与高温热解以形成石墨烯包覆多孔硅复合材料。所制得的多孔硅材料中硅的质量百分比为20～80％，金属杂质的质量百分比为20～80％，粒径分布为10nm～10μm，孔径分布为1～1000nm，孔隙率为1～90％。所得到的石墨烯包覆多孔硅复合材料粒径尺寸为1～100μm，形状为球状，颗粒分布均匀，形貌一致。应用于锂离子电池负极材料时，能有效防止硅合金化的体积膨胀，提升首次充放电效率、理论比容量和循环性能等，是锂离子电池领域理想的负极材料之一。此制备工艺简单、能耗小、成本低、重现性好和产率高。

Preparation and application method of graphene coated porous silicon composite negative electrode material

The invention relates to a preparation method of graphene coated porous silicon composite negative electrode material and belongs to the field of electrode material preparation. The invention uses aluminum silicon as raw material, after melting, ball milling and chemical etching preparation and formation of porous silicon, porous silicon, graphene oxide and carbon source by ball milling, spray drying and pyrolysis to form graphene coated porous silicon composite material. The mass percentage of silicon in the porous silicon material is 20 to 80%, the mass percentage of metal impurities is 20 to 80%, the particle size distribution is 10nm to 10 mu m, the pore size distribution is 1 to 1000nm, and the porosity is from 1 to 90%. The obtained graphene encapsulated porous silicon composite has a particle size of 1~100 mu m and is spherical in shape, uniform in particle distribution and uniform in morphology. Anode materials used in lithium ion battery, can effectively prevent the silicon alloying of volume expansion, enhance the initial charge discharge efficiency, theoretical capacity and cycle performance, is one of the ideal field of lithium ion battery anode materials. The preparation process is simple, the energy consumption is small, the cost is low, the reproducibility is good and the yield is high.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备及应用方法
本专利技术属于电极材料制备领域，涉及石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备方法和应用，尤其在锂离子电池中。
技术介绍
近年来，伴随不可再生资源的减少，能源和环境的可持续发展成为全球首要面临的问题，新能源的开发变得刻不容缓。化学储能器件的性能要求不断增加，由于锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、使用寿命长、无记忆效应、自放电效率低、无环境污染等优点，成为应用在移动通讯、便携式计算机等方面的高能二次电池。同时，锂离子电池的电极材料要求比容量高、成本低、优异的电导率和电化学稳定性。目前，石墨由于其优异的可逆容量和电化学稳定性广泛作为标准电极应用于锂离子电池，但是理论嵌锂容量仅372mAh/g，严重限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。如何将锂离子电池在保证循环稳定性的同时提高可逆容量，降低成本，提高安全性，是锂离子电池今后发展的方向。硅具有高的理论比容量，低的嵌锂电位受到关注。硅可与锂形成合金，最高组分是(Li22Si5)，理论比容量为4200mAh/g，是碳材料理论容量的十倍以上，这使其成为最有发展前景的负极材料被广泛研究的原因。但硅负极材料在循环的过程中会产生严重的体积变化，体积膨胀率大，易于从集流体上脱落，从而导致硅电极在循环过程中容量的快速衰减，最终使得电极失效，限制了硅材料在锂离子电池上的实际应用。石墨烯具有良好的导电性，质地软，本身具有嵌锂能力，体积膨胀小。将它与硅复合，能够提高硅负极的导电率，有效缓冲硅体积的变化如果将石墨烯包覆在多孔硅的表面，能够阻止硅的团聚，提高材料的导电性及电化学性能；还可以将硅与电解液隔离开来，抑制硅颗粒表面SEI膜的形成，提高材料的首次充放电效率。目前，使用喷雾干燥法制备石墨烯包覆多孔硅复合材料，颗粒尺寸均匀、形状一致，是制备石墨烯包覆多孔硅复合材料较为理想的方法。因此，本专利技术针对以上问题，通过简单的制备工艺及其廉价的原料制备出性能优异的石墨烯包覆多孔硅复合负极材料，应用于锂离子电池领域。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种原料易取，制备工艺简单，成本低，产率高的石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备方法，且应用于锂离子电池中具有首次充放电效率高、理论比容量大和循环性能好等特点，适合于工业化生产。本专利技术的技术方案如下：一种石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：(1)以铝硅为原料，按照一定的比例称取，在合适的温度范围内熔炼成均匀的铝硅合金；铝硅原料的质量比范围为1:(1～5)；所熔炼的温度范围为580～1200℃。(2)将铝硅合金在保护气氛下装入球磨罐中，加入保护液体作为介质，设定一定转速进行球磨；将球磨好的样品移入真空干燥箱内烘干，然后进行研磨。(3)取刻蚀试剂对得到的小颗粒铝硅合金进行刻蚀处理，之后洗涤干燥得到多孔硅材料；得到的多孔硅材料中硅的质量百分比为20～80％，金属杂质的质量百分比为20～80％；所得到的多孔硅材料中硅的粒径分布为10nm～10μm，比表面积范围为10～200m2/g，孔径分布范围为1～1000nm，孔隙率范围为1～90％。(4)再按1:1:1～4:1:3的比例称取多孔硅、氧化石墨烯和碳源，加入分散剂充分搅拌获得混合液，把混合液按合适的球料比置于球磨罐中，设置球磨参数；将球磨好的液体在合适的条件下进行喷雾干燥，形成石墨烯包覆多孔硅复合材料前驱体，随后通过高温热解得到石墨烯包覆多孔硅复合材料。进一步的，步骤(2)和步骤(4)中的机械球磨均为湿法球磨或干法球磨的一种，球料比范围为(1～40):1，球磨时间范围为2～48h，转速范围为300～3000rpm；所述的球磨罐包括不锈钢、玛瑙、陶瓷、尼龙、聚胺脂、聚四氟乙烯、氧化锆或硬质合金球磨罐的一种；步骤(2)所使用的惰性气氛选自氩气、氮气、氦气或混合气的一种，氧气和水含量均小于1ppm；所用的保护液包括无水乙醇、乙二醇、正己烷、异丙醇、丙酮和去离子水的一种或几种。进一步的，步骤(2)和(3)中所述的干燥温度为80～120℃；所用的干燥时间为6～24h；步骤(3)中所用刻蚀试剂包括稀硫酸、稀硝酸、盐酸、氢氟酸、王水和草酸中的一种或几种；所用刻蚀试剂的浓度为10～60％；所用刻蚀的方法包括搅拌、超声和静置的一种或几种；所用的刻蚀时间5～1200min；洗涤的试剂包括去离子水、酒精的一种或几种；所用的洗涤次数为1～5次。进一步的，步骤(4)中所述的碳源为蔗糖、葡萄糖、糊精和酚醛树脂的一种，分散剂为去离子水、无水乙醇、正己烷、聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇和丙酮的一种或几种。进一步的，步骤(4)中，所述的喷雾干燥是将液态的物料通过喷枪雾化成小液滴，然后与热空气接触，瞬间干燥获得固态的粉末状材料，所述的喷雾干燥入口温度范围为100～400℃，出口温度范围50～200℃，蠕动速度范围为1～30ml/min；所述的高温热解温度范围为300～2000℃，时间范围为3～9h，升温速率范围为1～10℃/min，保护气氛为氩气、氮气或氦气的一种，所制的石墨烯包覆多孔硅复合材料颗粒尺寸范围1～100μm，形状为球状。本专利技术步骤(1)、(2)和(3)中所用的熔炼、机械球磨和化学刻蚀法制备的多孔硅材料，整个制备过程简单易控、成本低廉和原料易取，可大规模生产。本专利技术步骤(2)中，采用湿法球磨能细化铝硅合金的颗粒尺寸，在颗粒表面引入大量缺陷，增大颗粒的比表面积，改变其晶体结构，使其物理和化学性质有利于性能提高的方向发展。本专利技术步骤(3)中，所得到的多孔硅材料具有类似于海绵状或网络状的疏松结构，具有大量孔径不同的孔道，有利于硅负极材料的比容量的提高。多孔硅材料丰富的孔道结构能有效缓解硅合金化的体积膨胀问题，改善硅负极材料的循环性能。所得到的多孔硅材料的形貌为不规则颗粒状，所得到的多孔硅材料具有能与锂合金化的相。所得到的多孔硅材料孔壁上有许多小孔，能避免孔壁破坏，提高电池的循环寿命。所得到的多孔硅材料能防止材料结构粉化，提高其电化学性能。本专利技术是通过熔炼、机械球磨和化学刻蚀法制备多孔硅材料，整个制备过程简单易控、成本低廉和原料易取，可所为商业化制备多孔硅手段之一。本专利技术步骤(4)中，所述的喷雾干燥是将液态的物料通过喷枪雾化成小液滴，然后与热空气接触，瞬间干燥获得固态的粉末状材料。本专利技术步骤(4)中，所制的石墨烯包覆多孔硅复合材料颗粒尺寸范围1～100μm，形状为球状。本专利技术步骤(4)中，所述的喷雾干燥法制备的石墨烯包覆多孔硅复合材料，颗粒分布均匀、形状一致，具有良好的电化学性能。本专利技术步骤(4)中，所制的石墨烯包覆多孔硅复合材料避免了硅颗粒团聚造成局部区域出现颗粒巨大膨胀或者收缩导致颗粒间失去电接触和材料性能变坏，提升了其理论比容量，稳定性、倍率性能和循环性能。一种如上所述的石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的应用方法，其特征在于，按照合适的比例把石墨烯包覆多孔硅复合材料、导电剂和黏结剂均匀混合制得浆料，并将其涂布在载流体上，在真空干燥箱烘干一定时间得到石墨烯包覆多孔硅负极极片；选择合适的正极材料和电解液，并在手套箱中，与正负极壳、隔膜、垫片、弹片组装成电池。组装顺序依为：负极壳(1)、锂片(2)、隔膜(3)、电极材料(4)、电解液(5)、垫片(6)、电池正极壳(7)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：(1)以铝硅为原料，按照一定的比例称取，在合适的温度范围内熔炼成均匀的铝硅合金；铝硅原料的质量比范围为1:(1～5)；所熔炼的温度范围为580～1200℃；(2)将铝硅合金在保护气氛下装入球磨罐中，加入保护液体作为介质，设定一定转速进行球磨；将球磨好的样品移入真空干燥箱内烘干，然后进行研磨；(3)取刻蚀试剂对得到的小颗粒铝硅合金进行刻蚀处理，之后洗涤干燥得到多孔硅材料；得到的多孔硅材料中硅的质量百分比为20～80％，金属杂质的质量百分比为20～80％；所得到的多孔硅材料中硅的粒径分布为10nm～10μm，比表面积范围为10～200m

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：(1)以铝硅为原料，按照一定的比例称取，在合适的温度范围内熔炼成均匀的铝硅合金；铝硅原料的质量比范围为1:(1～5)；所熔炼的温度范围为580～1200℃；(2)将铝硅合金在保护气氛下装入球磨罐中，加入保护液体作为介质，设定一定转速进行球磨；将球磨好的样品移入真空干燥箱内烘干，然后进行研磨；(3)取刻蚀试剂对得到的小颗粒铝硅合金进行刻蚀处理，之后洗涤干燥得到多孔硅材料；得到的多孔硅材料中硅的质量百分比为20～80％，金属杂质的质量百分比为20～80％；所得到的多孔硅材料中硅的粒径分布为10nm～10μm，比表面积范围为10～200m2/g，孔径分布范围为1～1000nm，孔隙率范围为1～90％；(4)再按1:1:1～4:1:3的比例称取多孔硅、氧化石墨烯和碳源，加入分散剂充分搅拌获得混合液，把混合液按合适的球料比置于球磨罐中，设置球磨参数；将球磨好的液体在合适的条件下进行喷雾干燥，形成石墨烯包覆多孔硅复合材料前驱体，随后通过高温热解得到石墨烯包覆多孔硅复合材料。2.根据权利要求1所述的石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(4)中的机械球磨均为湿法球磨或干法球磨的一种，球料比范围为(1～40):1，球磨时间范围为2～48h，转速范围为300～3000rpm；所述的球磨罐包括不锈钢、玛瑙、陶瓷、尼龙、聚胺脂、聚四氟乙烯、氧化锆或硬质合金球磨罐的一种；步骤(2)所使用的惰性气氛选自氩气、氮气、氦气或混合气的一种，氧气和水含量均小于1ppm；所用的保护液包括无水乙醇、乙二醇、正己烷、异丙醇、丙酮和去离子水的一种或几种。3.根据权利要求1所述的石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)和(3)中所述的干燥温度为80～120℃；所用的干燥时间为6～24h；步骤(3)中所用刻蚀试剂包括稀硫酸、稀硝酸、盐酸、氢氟酸、王水和草酸中的一种或几种；所用刻蚀试剂的浓度为10～60％；所用刻蚀的方法包括搅拌、超声和静置的一种或几种；所用的刻蚀时间5～1200min；洗涤的试剂包括去离子水、酒精的一种或几种；所用的洗涤次数为1～5次。4.根据权利要求1所述的石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的碳源为蔗糖、葡萄糖、糊精和酚醛树脂的一种，分散剂为去离子水、无水乙醇、正己烷、聚乙烯、聚丙烯、聚乙二醇和丙酮的一种或几种。5.根据权利要求1所述的石墨烯包覆多孔硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的喷雾干燥是将液态的物料通过喷枪雾化成小液滴，然后与热空气接触，瞬间干燥获得固态的粉末状材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，黄一辉，万琦，刘志伟，曲选辉，秦明礼，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11