一种硅纳米层石墨复合异质结材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硅纳米层石墨复合异质结材料，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层。本发明专利技术还公开了一种所述硅纳米层石墨复合异质结材料的制备方法和应用。本发明专利技术的负极材料有效提高了锂离子传输速率，负极材料的克容量，很好地实现了快速充放电，并具有高的能量密度，利于锂离子电池负极材料的实际应用。试验证明，本发明专利技术可以提高电池的电性能，显示了较好的动力学行为。

Silicon nano layer graphite composite heterojunction material and preparation method and application thereof

The invention discloses a silicon nano-layer graphite composite heterojunction material, which comprises a core and an outer layer, wherein the inner core is graphite and the outer layer is a silicon nano-layer. The invention also discloses a preparation method and application of the silicon nano layer graphite composite heterojunction material. The cathode material of the invention effectively improves the lithium ion transmission rate, the gram capacity of the cathode material, realizes fast charge and discharge, and has high energy density, which is beneficial to the practical application of the cathode material of the lithium ion battery. The test proves that the invention can improve the electric performance of the battery and display better dynamic behavior.

【技术实现步骤摘要】
一种硅纳米层石墨复合异质结材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种硅纳米层石墨复合异质结材料及其制备方法和应用。
技术介绍
目前，商业化锂离子电池的负极材料主要采用天然石墨、人造石墨等碳质材料，这些石墨化碳质材料的理论容量只有372mAh/g，容量相对比较低，已不能满足如富锂材料，镍锰尖晶石高电压材料等高能量正极材料的要求，极大地限制了整体电池容量的进一步提升。为了满足高容量锂离子电池的需求，研究开发高比容量负极材料已经变得十分迫切和必要。在非碳负极材料中，硅系材料的理论比容量较高，达到4200mAh/g，且资源丰富，成本低廉，成为最具有潜力的锂离子电池负极材料之一。但纯硅粉组成的负极在脱嵌锂过程中伴随非常大的体积变化，导致负极材料从负极集流体上脱落，从而造成不可逆的容量损失和安全性能降低；同时其易团聚，影响电极的循环稳定性，限制其广泛应用。补锂技术是近几年发展起来的一种新型材料改性技术，其主要在极片或表面包覆一层锂单质或化合物以提高材料的首次效率和锂离子的传输速率，但其存在包覆层锂化合物与内核硅材料存在结合力差，造成其包覆效果较差，影响其材料的一致性及其循环稳定性。因此，如何在碳基材料和硅系材料的基础上，开发一种克容量高、膨胀率低、循环性能好的负极材料，是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种硅纳米层石墨复合异质结材料及其制备方法和应用，本专利技术能够有效提高电池锂离子传输速率、负极材料的克容量，很好地实现快速充放电。本专利技术提出了一种硅纳米层石墨复合异质结材料，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层。优选地，所述硅纳米层的平均厚度为10-100nm。优选地，所述石墨选自天然石墨、人造石墨中的一种。优选地，所述石墨的直径为1.5-4.5μm。优选地，所述硅纳米层与石墨的质量比为1：1-10。本专利技术还提出了一种所述硅纳米层石墨复合异质结材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将石墨与无机镍盐溶液混合均匀得到混合物，调节pH，然后回流加热，离心分离得到镍吸附于石墨表面的样品a；S2、向样品a中通入氢气，加热进行氢化反应，在石墨层上形成边缘活化位点，即得到样品b；S3、向样品b中通入乙炔气体，再通入硅源气体，将石墨化碳层附于镍颗粒表面，避免了与硅元素形成镍硅化物，最终得到硅纳米层石墨复合异质结材料。优选地，S1中，所述无机镍盐选自氯化镍、硫酸镍、硝酸镍中的一种。优选地，S1中，调节pH至4。优选地，S1中，所述混合物与无机镍盐溶液的重量比为10：1-1.5。优选地，S2中，所述加热为在800-1300℃下加热3-5h。优选地，S3中，所述通入乙炔气体为在800-1000℃的温度下通入乙炔气体10-20min。优选地，S3中，所述通入硅源气体为在400-500℃的温度下通入硅源气体20-40min。优选地，S3中，所述硅源气体选自硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯化硅中的一种。本专利技术还提出一种由所述硅纳米层石墨复合异质结材料制备的锂离子电池。本专利技术中，外层硅纳米层可通过计算硅源气体通入的时间来加以调控。本专利技术的有益效果如下：1)本专利技术可以有效地提高锂离子传输速率、负极材料的克容量，很好地实现快速充放电，并具有高的能量密度。通过本专利技术的制备方法，制得的硅纳米层石墨复合异质结材料是以石墨为内核，外层为硅纳米层结构，石墨颗粒直径为1.5-4.5μm。这种新颖复合材料解决了石墨性能较差，充放电平台较低，倍率性能较差的缺陷，硅纳米层结构起到增强导电接触，提高能量密度，缓解材料膨胀的作用，同时为设计新型的硅系和碳基复合材料提供新思路，复合材料具有组分材料的部分特点，因此使其应用领域突破了原有的界限。2)本专利技术制备的硅纳米层石墨复合异质结材料可很好地应用于锂离子电池，提高电池的电性能。3)本专利技术工艺简单、易操控、重复性好，所需设备是化学和材料工业常用的仪器设备。附图说明图1为本专利技术实施例1硅纳米层石墨复合异质结材料的结构示意图。具体实施方式下面，通过具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。实施例1一种硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层；其中，所述硅纳米层的平均厚度为100nm；所述石墨为人造石墨；所述石墨的直径为1.5μm；所述硅纳米层与石墨的质量比为1：10。所述硅纳米层石墨复合异质结材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将9g石墨与1g氯化镍溶液混合均匀，调节pH至4，然后回流加热，离心分离得到镍吸附于石墨表面的样品a；S2、向样品a中通入氢气，在1300℃下加热5h，进行氢化反应，在石墨层上形成边缘活化位点，即得到样品b；S3、在1000℃的温度下，向样品b中通入乙炔气体20min，再在500℃的温度下通入硅烷气体40min，将石墨化碳层附于镍颗粒表面，避免了与硅元素形成镍硅化物，最终得到硅纳米层石墨复合异质结材料，其结构示意图如图1所示。实施例2一种硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层；其中，所述硅纳米层的平均厚度为10nm；所述石墨为人造石墨；所述石墨的直径为4.5μm；所述硅纳米层与石墨的质量比为1：1。所述硅纳米层石墨复合异质结材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将9g石墨与1g氯化镍溶液混合均匀，调节pH至4，然后回流加热，离心分离得到镍吸附于石墨表面的样品a；S2、向样品a中通入氢气，在800℃下加热3h，进行氢化反应，在石墨层上形成边缘活化位点，即得到样品b；S3、在800℃的温度下，向样品b中通入乙炔气体10min，再在400℃的温度下通入二氯硅烷气体20min，将石墨化碳层附于镍颗粒表面，避免了与硅元素形成镍硅化物，最终得到硅纳米层石墨复合异质结材料。实施例3一种硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层；其中，所述硅纳米层的平均厚度为80nm；所述石墨为天然石墨；所述石墨的直径为2.5μm；所述硅纳米层与石墨的质量比为1：7。所述硅纳米层石墨复合异质结材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将8.5g石墨与1.5g硝酸镍溶液混合均匀，调节pH至4，然后回流加热，离心分离得到镍吸附于石墨表面的样品a；S2、向样品a中通入氢气，在1300℃下加热3h，进行氢化反应，在石墨层上形成边缘活化位点，即得到样品b；S3、在1000℃的温度下，向样品b中通入乙炔气体20min，再在500℃的温度下通入四氯化硅气体36min，将石墨化碳层附于镍颗粒表面，避免了与硅元素形成镍硅化物，最终得到硅纳米层石墨复合异质结材料。实施例4一种硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层；其中，所述硅纳米层的平均厚度为20nm；所述石墨为人造石墨；所述石墨的直径为3.5μm；所述硅纳米层与石墨的质量比为1：3。所述硅纳米层石墨复合异质结材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将8.5g石墨与1.5g氯化镍溶液混合均匀，调节pH至4，然后回流加热，离心分离得到镍吸附于石墨表面的样品a；S2、向样品a中通入氢气，在800℃下加热5h，进行氢化反应，在石墨层上形成边缘活化位点，即得到样品b；S3、在900本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层。

【技术特征摘要】
1.一种硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层。2.根据权利要求1所述硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，所述硅纳米层的平均厚度为10-100nm。3.根据权利要求1所述硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，所述石墨选自天然石墨、人造石墨中的一种。4.根据权利要求3所述硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，所述石墨的直径为1.5-4.5μm。5.根据权利要求3所述硅纳米层石墨复合异质结材料，其特征在于，所述硅纳米层与石墨的质量比为1：1-10。6.一种根据权利要求1-5任一项所述硅纳米层石墨复合异质结材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将石墨与无机镍盐溶液混合均匀得到混合物，调节pH，然后回流加热，离心分离得到镍吸附于石墨表面的样品a；S2、向样品a中通入氢气，加热进行氢化反应，得到样品b；S3、向样品b中通入乙炔气体，再通...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱丽丽，廖云龙，郭桂略，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34