一种氮掺杂石墨烯包裹微米硅复合材料的制备方法技术

一种氮掺杂石墨烯包裹微米硅复合材料的制备方法，涉及一种锂离子电池负极材料制备方法。本发明专利技术提供一种氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料的制备方法。方法：一、氧化石墨烯制备；二、氧化石墨烯包裹微米硅颗粒复合材料制备：将氧化石墨烯加入水配成溶液，向该溶液中加入微米硅颗粒，将该溶液超声，机械搅拌，得到微米硅与石墨混合溶液，将微米硅与石墨混合溶液进行冷冻干燥或喷雾干燥，得氧化石墨烯/微米硅复合材料；三、氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料制备：将氧化石墨烯/微米硅复合材料置于高压反应釜中，加入水合肼，密封后反应，干燥，即得到氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料。用于制备锂离子电池负极材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种锂离子电池负极材料制备方法。
技术介绍
能源是世界发展和人类生存与进步的源动力，随科学技术高速发展，传统化石能源已被过度开采与利用，并伴随着污染气体等污染物向周围环境的不断排放，雾霾等种种生态环境污染问题已开始向人类敲响警钟，开发新型清洁绿色的新能源刻不容缓。燃料电池、太阳能电池、锂离子电池等各种储能电池开始被极大的关注，在众多的二次电池中，锂离子电池因能量密度高、无记忆效应、环境污染小、成本低廉等优点，已被广泛商业化应用，同时也成为国内外科研工作者的研究热点。以石墨为代表的碳材料是现有锂离子电池商用负极材料的主流选择，然而石墨负极存在理论容量偏低，充放电速率慢等问题，难以满足生产实际中对高功率密度、高能量密度负极材料的迫切需求。近年来石墨烯这一碳材料家族的新成员一经报道，就以其独一无二的导电性、导热性和机械性能等方面的优势，在传感器、太阳能电池、能量储存等诸多方面倍受关注。有研究者率先将石墨烯应用于锂离子电池中，利用传统的化学法制备的石墨烯作为锂离子电池负极材料，其可逆容量可达远高于商业石墨负极的理论容量(372mAh/g)，更令人欣喜的是有研究者研究发现利用激光还原的石墨烯与传统方法制备的石墨烯相比具有超高的功率密度，甚至可以在几秒钟的时间内完成充放电，其容量也远高于商业化的石墨负极在几十分钟内的充放电容量，该研究使人们对未来超高功率密度的石墨烯基锂离子电池的应用看到了希望。然而石墨烯负极也存在首次库伦效率低，放电平台高，循环稳定性有待提高等缺陷，其从科学研究走向生产实际尚需时日，为了克服石墨烯的缺陷，将其与其他材料复合发挥协同效应是有效可行的途径，其中第四主族单质(硅、锡、锗等)负极具有其他负极材料无法比拟的理论容量，尤其是硅负极，其具有4200mAh g-1的理论容量，被广泛认为是未来最有希望的替代石墨的负极材料。但是硅负极在充放电过程中，锂离子在硅中的反复脱嵌，引起严重的体积效应，最大体积膨胀高达400％，产生的机械作用力致使电极结构破坏和材料粉化失效，导致电极失去电接触、容量巨大损失、循环性能迅速下降。纳米尺度的硅颗粒作为锂离子电池负极材料，可大大克服其充放电过程中的体积膨胀，颗粒细化一方面降低粒径，有效地分散体积变化，缓解机械应力，一方面缩短了电子和离子的迁移路径，提高了电池的电化学反应速率。很多研究证明，当硅颗粒尺度降至微米级或纳米级，电化学性能明显提高，但是关于石墨烯和硅复合材料研充仍存在一些问题亟待解决：首先从科学研究角度，关于硅和石墨烯复合材料的研究几乎都集中在纳米硅与石墨烯复合材料上，匮乏系统认识硅的尺寸效应对复合材料性能影响；对石墨烯的物理结构与化学修饰对复合材料性能影响缺少系统的研究；关于石墨烯如何对复合材料充放电过程中的固态电解质膜(SEI)的调控认识几乎处于空白。其次从产业化应用角度，硅和石墨烯复合材料真正作为锂离子电池负极应用仍面临以下几个问题，第一硅和石墨烯复合材料的首次库伦效率还远远没有达到工业化生产的要求(负极材料要求在85％以上)；第二复合材料的循环性能还需进一步的提高；再则纳米硅与石墨烯的复合材料的振实密度等参量仍没有达到工业化生产的要求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种氮掺杂石墨烯包裹微米硅复合材料的制备方法。同时本方法也可以拓展为利用氮掺杂的石墨烯包裹纳米硅与纳米锡，制备高容量锂离子电池负极材料。本专利技术氮掺杂石墨烯包裹微米硅复合材料的制备方法，按以下步骤进行：一、氧化石墨烯制备以尺寸为10～300微米的天然石墨为原料，以浓硫酸为插层剂，高锰酸钾为氧化剂采用Hummers法制备氧化石墨烯水溶液，将氧化石墨烯水溶液于3000转/min离心取上层清液，再将上层清液于8000转/min离心取沉淀，得到氧化石墨烯；二、氧化石墨烯包裹微米硅颗粒复合材料制备将步骤一所得的氧化石墨烯加入去离子水配成2mg/mL的溶液，向该溶液中加入微米硅颗粒，将该溶液超声处理2小时，然后机械搅拌24小时，得到微米硅与石墨混合溶液，将微米硅与石墨混合溶液进行冷冻干燥或喷雾干燥，得氧化石墨烯/微米硅复合材料；三、氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料制备将步骤二得到的氧化石墨烯/微米硅复合材料置于高压反应釜中，加入水合肼，密封后在120℃下反应2小时，所得样品于真空烘箱中干燥，即得到氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料。本专利技术所述的氮掺杂石墨烯与微米硅制备方法的整体工艺简单，可操作性强，可放大性强，所用原料成本低廉且无需昂贵设备。根据本专利技术的方法制备的氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料具备高的储锂容量，高的库伦效率，良好的循环稳定性，并具有硅与石墨烯的比例可调有益效果，可根据随特种需求制备高容量的锂离子电池。本专利技术利用氮掺杂石墨烯提高功率密度，利用廉价的可工业化应用的微米硅负极提高复合材料能量密度，制备高性能的新型复合锂离子电池负极材料，该专利技术具有广阔的未来工程应用前景。附图说明图1为根据实施例1的方法制备的氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料的SEM照片，图中可见微米硅被石墨烯均匀包覆。图2为根据实施例1的方法制备的氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料的TEM照片，可以看到，微米硅与石墨烯紧密结合。图3为根据实施例2的方法制备的氮掺杂石墨烯与纳米硅复合材料的SEM照片，可以看到，石墨烯包覆纳米硅组成花状的微米球。图4为根据实施例3的方法制备的氮掺杂石墨烯与纳米锡复合材料的SEM照片，可以看到，纳米锡均匀的分布在石墨烯的片层之间。图5为根据实施例1的方法制备的氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料的XPS图，图中可见复合材料中含有丰富的氮和碳元素，可见包裹微米硅的为氮掺杂的石墨烯。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式氮掺杂石墨烯包裹微米硅复合材料的制备方法，按以下步骤进行：一、氧化石墨烯制备以尺寸为10～300微米的天然石墨为原料，以浓硫酸为插层剂，高锰酸钾为氧化剂采用Hummers法制备氧化石墨烯水溶液，将氧化石墨烯水溶液于3000转/min离心取上层清液，再将上层清液于8000转/min离心取沉淀，得到氧化石墨烯；二、氧化石墨烯包裹微米硅颗粒复合材料制备将步骤一所得的氧化石墨烯加入去离子水配成2mg/mL的溶液，向该溶液中加入微米硅颗粒，将该溶液超声处理2小时，然后机械搅拌24小时，得到微米硅与石墨混合溶液，将微米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂石墨烯包裹微米硅复合材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：一、氧化石墨烯制备以尺寸为10～300微米的天然石墨为原料，以浓硫酸为插层剂，高锰酸钾为氧化剂采用Hummers法制备氧化石墨烯水溶液，将氧化石墨烯水溶液于3000转/min离心取上层清液，再将上层清液于8000转/min离心取沉淀，得到氧化石墨烯；二、氧化石墨烯包裹微米硅颗粒复合材料制备将步骤一所得的氧化石墨烯加入去离子水配成2mg/mL的溶液，向该溶液中加入微米硅颗粒，将该溶液超声处理2小时，然后机械搅拌24小时，得到微米硅与石墨混合溶液，将微米硅与石墨混合溶液进行冷冻干燥或喷雾干燥，得氧化石墨烯/微米硅复合材料；三、氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料制备将步骤二得到的氧化石墨烯/微米硅复合材料置于高压反应釜中，加入水合肼，密封后在120℃下反应2小时，所得样品于真空烘箱中干燥，即得到氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂石墨烯包裹微米硅复合材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤
进行：
一、氧化石墨烯制备
以尺寸为10～300微米的天然石墨为原料，以浓硫酸为插层剂，高锰酸钾为氧化剂采用
Hummers法制备氧化石墨烯水溶液，将氧化石墨烯水溶液于3000转/min离心取上层清液，
再将上层清液于8000转/min离心取沉淀，得到氧化石墨烯；
二、氧化石墨烯包裹微米硅颗粒复合材料制备
将步骤一所得的氧化石墨烯加入去离子水配成2mg/mL的溶液，向该溶液中加入微米硅
颗粒，将该溶液超声处理2小时，然后机械搅拌24小时，得到微米硅与石墨混合溶液，将微
米硅与石墨混合溶液进行冷冻干燥或喷雾干燥，得氧化石墨烯/微米硅复合材料；
三、氮掺杂石墨烯与微米硅复合材料制备
将步骤二得到的氧化石墨烯/微米硅复合材料置于高压反应釜中，加入水合肼，密封后
在120℃下反应2小时，所得样品于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓旭，申泽骧，孙道彬，
申请(专利权)人：黑龙江科技大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23