一种石墨硅复合负极材料的制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨硅复合负极材料的制备方法，以膨胀石墨为原料，吸附纳米硅的有机分散液，然后进行热处理得到膨胀石墨硅复合材料，通过对辊压平从而得到石墨硅复合负极材料。该石墨硅复合材料具有高首效，高循环寿命，高容量的特点，且该方法工艺简单，原料易得，所用有机分散液可循环再用，绿色环保，易于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料
，具体涉及一种石墨硅复合负极材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池具有高电压、高能量、循环寿命长、无记忆效应等众多优点，已经在消费电子、电动工具、医疗电子、能源存储等领域获得了广泛的应用。在电池的结构中，负极材料是影响其性能的关键因素之一。目前常用的负极材料主要有石墨、碳、钛酸锂。石墨和碳类的负极材料比容量一般在300～400mAh/g的范围，钛酸锂比容量只有170mAh/g且电压平台太高(1.5V vs Li+/Li)。这大大影响了电池的能量密度，从而影响了电池的小型化及在如电动汽车等领域的应用。硅作为负极材料具有高比容量(4200mAh/g)、环境友好、储量丰富等特点，因为受到广泛关注，被认为是下一代高能量密度锂离子电池的负极材料。但硅还存在一些问题影响其应用。其一为硅的储锂过程中可逆容量与体积膨胀成正比，如当容量达到3590mAh/g对应体积膨胀可达320％，从而影响电池的加工与设计。同时，由体积变化还会导致硅颗粒化，活性物质从集流体脱落，从而严重影响电池的循环性能。其二，硅在循环过程中颗粒的化还会导致新鲜的硅表面暴露于电解液中从而持续产生固体电解质界面(SEI)，从而不断消耗电池内部的锂源和电解液，导致电池容量持续衰减，内阻增加。因此，需要开发新的材料及技术，来降低或避免硅材料的体积膨胀问题，以及避免SEI持续产生的问题。目前，针对该问题，利用碳材料来制备复合材料是一个较为有效的方法之一，通过碳对硅材料进行包覆，从而避免硅与电解液的接触，同时通过包覆可以固定于碳材料的内部，从而防止其脱落。但目前适合生产的制备方法还需要研究探索。专利201410227442.X提出了硅-碳多元复合负极材料及其制备方法，其特点为利用热解法制备使一氧化硅附着在膨胀石墨的空隙中，再引入有机碳源在一氧化硅表面包覆碳，后期通过沥青反复填充复合材料的空隙，最终得到高比能量的负极材料。该方法工艺繁琐，需要多次的高温加热，最高需要1000℃，且过程中用到强酸强碱进行腐蚀，也增加了制备的危险性及操作难度。为解决上述技术问题，本专利技术由此而来。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种石墨硅复合材料的制备方法，可解决硅材料面临的两大问题，且制备方法简单易行，可工业化生产。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种石墨硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，其包括如下制备步骤：(1)制备纳米硅的有机分散液；(2)将一定量的膨胀石墨投入到纳米硅分散液中，膨胀石墨与纳米硅的质量比为1：0.005～0.099，使膨胀石墨吸附纳米硅分散液，然后将饱和的膨胀石墨取出；(3)将饱和的膨胀石墨在60℃～600℃干燥处理，优选在60℃～150℃干燥处理，从而得到膨胀石墨硅复合材料；(4)用对辊机或者平压设备对上述的膨胀石墨硅复合材料进行挤压，从而得到石墨硅复合负极材料。优选的，步骤(1)所述的纳米硅是指粒径5～100纳米，所述的有机分散液的有机物为乙醇，乙二醇，甘油，丙酮，环己烷，乙酸乙酯，苯，甲苯，汽油，柴油，煤油中的一种或几种混合。优选的，所述的有机分散液中纳米硅的浓度为0.01wt％～1wt％。优选的，所述的膨胀石墨为100～500目，纯度为99.9％，膨胀度为100～400mL/g。优选膨胀石墨的加入量为有机分散液的0.1wt％～1wt％。优选的，所述的膨胀石墨吸附纳米硅分散液通过静置，震荡，摇晃，搅拌，超声等方式的一种或几种，所述的膨胀石墨饱和吸附是指膨胀石墨达到最大吸液量，所述的饱和的膨胀石墨取出可以通过打捞，过滤，离心等方法。优选的，步骤(3)所述的将饱和的膨胀石墨干燥处理是常压、负压或真空下，在氮气、空气气氛条件下进行干燥。步骤(4)的对膨胀石墨硅复合材料施压从而实现膨胀石墨由蓬松结构恢复为石墨结构。本专利技术的第二方面提供一种石墨硅复合负极材料，其特征在于，其通过如下制备步骤得到：(1)制备纳米硅的有机分散液；(2)将一定量的膨胀石墨投入到纳米硅分散液中，膨胀石墨与纳米硅的质量比为1：0.005～0.099，使膨胀石墨吸附纳米硅分散液，然后将饱和的膨胀石墨取出；(3)将饱和的膨胀石墨在60℃～600℃干燥处理，从而得到膨胀石墨硅复合材料；(4)用对辊机或者平压设备对上述的膨胀石墨硅复合材料进行挤压，从而得到石墨硅复合负极材料。优选的，所述的纳米硅是指粒径5～100纳米，所述的有机分散液的有机物为乙醇，乙二醇，甘油，丙酮，环己烷，乙酸乙酯，苯，甲苯，汽油，柴油，煤油中的一种或几种混合。优选的，所述的膨胀石墨为100～500目，纯度为99.9％，膨胀度为100～400mL/g。本专利技术利用膨胀石墨的吸油特点及其空间效应来吸附硅的有机分散液，从而保证硅颗粒均匀的分散于膨胀石墨内部，通过干燥后的施压处理，从而使膨胀石墨闭口，将硅颗粒包覆与石墨内部，避免与电解液的直接接触，石墨的多层结构及有限空间也有助于缓冲硅在循环中的膨胀及降低硅化，石墨与石墨之间同时形成良好的导电网络，从而提高了负极材料的克容量，改善了电池的循环寿命。且该方法原材料简单易得，成本低廉。工艺简单，工业中常用设备即可满足。绿色环保，所用有机试剂可通过收集循环再利用。以上可以，该专利技术具有工业化前景。具体实施方式：为进一步理解本专利技术，下面结合具体实施例对本专利技术优选方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。实施例1称量1g的纳米硅(D50:30nm)和20g的膨胀石墨(150目，纯度为99.9％，膨胀度为300mL/g)，将1g的纳米硅加入到500mL乙醇中充分分散得到纳米硅的有机分散液。然后将膨胀石墨加入纳米硅的有机分散液中通过搅拌使膨胀石墨充分的吸收溶液。再然后，将饱和的膨胀石墨打捞出来，并在真空条件下60℃干燥，从而得到膨胀石墨硅复合材料。最后所得膨胀石墨硅复合材料通过对辊机辊压，最终得到石墨硅复合负极材料。实施例2称量0.5g的纳米硅(D50:30nm)和20g的膨胀石墨(200目，纯度为99.9％，膨胀度为200mL/g)，将0.5g的纳米硅加入到500mL甲苯中充分分散得到纳米硅的有机分散液。然后将膨胀石墨加入纳米硅的有机分散液中通过搅拌使膨胀石墨充分的吸收溶液。再然后，将饱和的膨胀石墨打捞出来，并在真空条件下100℃干燥，从而得到膨胀石墨硅复合材料。最后所得膨胀石墨硅复合材料通过对辊机辊压，最终得到石墨硅复合负极材料。实施例3称量0.2g的纳米硅(D50:30nm)和20g的膨胀石墨(300目，纯度为99.9％，膨胀度为150
mL/g)，将0.2g的纳米硅加入到500mL丙酮中充分分散得到纳米硅的有机分散液。然后将膨胀石墨加入纳米硅的有机分散液中通过搅拌使膨胀石墨充分的吸收溶液。再然后，将饱和的膨胀石墨打捞出来，并在真空条件下150℃干燥，从而得到膨胀石墨硅复合材料。最后所得膨胀石墨硅复合材料通过对辊机辊压，最终得到石墨硅复合负极材料。上述所制备的各个锂离子电池的电化学性能测试结果如表1所示：表1锂离子电池的电化学性能测试表有效容量首次效率100次循环后容量保持率实施例1547.694.2％98.5％实施例2493.694.8％98本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，其包括如下制备步骤：(1)制备纳米硅的有机分散液；(2)将一定量的膨胀石墨投入到纳米硅分散液中，膨胀石墨与纳米硅的质量比为1：0.005～0.099，使膨胀石墨吸附纳米硅分散液，然后将饱和的膨胀石墨取出；(3)将饱和的膨胀石墨在60℃～600℃干燥处理，从而得到膨胀石墨硅复合材料；(4)用对辊机或者平压设备对上述的膨胀石墨硅复合材料进行挤压，从而得到石墨硅复合负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，其包括如下制备步骤：(1)制备纳米硅的有机分散液；(2)将一定量的膨胀石墨投入到纳米硅分散液中，膨胀石墨与纳米硅的质量比为1：0.005～0.099，使膨胀石墨吸附纳米硅分散液，然后将饱和的膨胀石墨取出；(3)将饱和的膨胀石墨在60℃～600℃干燥处理，从而得到膨胀石墨硅复合材料；(4)用对辊机或者平压设备对上述的膨胀石墨硅复合材料进行挤压，从而得到石墨硅复合负极材料。2.根据权利要求1所述的石墨硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)纳米硅粒径为5～100纳米，所述的有机分散液的有机物为乙醇，乙二醇，甘油，丙酮，环己烷，乙酸乙酯，苯，甲苯，汽油，柴油，煤油中的一种或几种混合。3.根据权利要求1所述的石墨硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述有机分散液中纳米硅的浓度为0.01wt％～1wt％。4.根据权利要求1所述的石墨硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述的膨胀石墨为100～500目，纯度为99.9％，膨胀度为100～400mL/g。5.根据权利要求1所述的石墨硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述的膨胀石墨吸附纳米硅分散液是通过静置，震荡，摇晃，搅拌，超声方式的一种或几种进行吸附，所述的膨胀石墨饱和吸附是指膨胀石墨达到最大吸液量，所述的饱和的膨胀石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：马元，王晓永，
申请(专利权)人：苏州微格纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32