复合材料及其制备方法、锂离子电池负极材料及锂离子电池技术

本发明专利技术提供了一种复合材料及其制备方法、锂离子电池负极材料及锂离子电池，涉及电池材料技术领域，所述复合材料包括纳米硅、和从内至外依次包覆所述纳米硅的硅氧化物层和复合物层，所述复合物包括介孔碳和石墨烯，缓解了硅作为负极活性材料时，在脱嵌锂过程中存在巨大的体积变化，导致电池循环寿命差，电极极化破坏，且硅的导电率低的技术问题，本发明专利技术提供的复合材料不仅能够有效缓冲纳米硅的体积膨胀，而且能够效提高硅的导电性，从而使其作为负极活性材料用于锂离子电池中时，能够显著提高锂离子电池的倍率性能和循环性能。

【技术实现步骤摘要】
复合材料及其制备方法、锂离子电池负极材料及锂离子电池
本专利技术涉及电池材料
，尤其是涉及一种复合材料及其制备方法、锂离子电池负极材料及锂离子电池。
技术介绍
硅因其高的质量比容量(3580mAh/g)和体积比容量(7000mAh/cm3)，适中的嵌锂电位，资源丰富和环境友好等优点有望成为下一代高能量密度锂离子电池负极材料。然而，硅在脱嵌锂过程中存在巨大的体积变化，造成不稳定的SEI膜持续生成，从而导致电池循环寿命差，电极极化破坏。此外，硅的导电率低。因此，需要将硅进行纳米化或者碳包覆，以提高材料的稳定性和导电性，满足锂离子电池负极材料的使用需求有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种复合材料，以缓解硅作为负极活性材料时，在脱嵌锂过程中存在巨大的体积变化，导致电池循环寿命差，电极极化破坏，且硅的导电率低的技术问题。本专利技术提供的复合材料，包括纳米硅，和从内至外依次包覆所述纳米硅的硅氧化物层和复合物层，所述复合物包括介孔碳和石墨烯。本专利技术的目的之二在于提供上述复合材料的制备方法，包括如下步骤：(a)将纳米硅、有机酸金属盐、氧化石墨烯分散在溶剂中，混合均匀，进行水热反应，干燥得到前驱体；(b)将前驱体进行焙烧，得到焙烧产物；(c)将焙烧产物用酸性溶液洗涤，干燥得到复合材料；其中，所述复合材料包括纳米硅，和从内至外依次包覆所述纳米硅的硅氧化物层和复合物层，所述复合物层包括介孔碳和石墨烯。进一步的，纳米硅、有机酸金属盐和氧化石墨烯的质量比为(1-2)：5：(0.1-0.3)。进一步的，所述有机酸金属盐选自有机酸铁盐、有机酸镁盐、有机酸锰盐、有机酸铝盐、有机酸铜盐或有机酸锌盐中的至少一种；优选地，所述有机酸金属盐为柠檬酸铁和/或柠檬酸镁。进一步的，所述酸性溶液选自盐酸溶液、硫酸溶液和硝酸溶液中的至少一种，优选为盐酸溶液。进一步的，所述纳米硅的粒径为30-50nm。进一步的，水热反应的温度为140-160℃，水热反应时间为10-15h。进一步的，焙烧的温度为750-850℃，焙烧时间为3-5h。本专利技术的目的之三在于提供一种锂离子电池负极材料，包括本专利技术提供的复合材料或根据本专利技术提供的制备方法得到的复合材料。本专利技术的目的之四在于提供一种锂离子电池，包括本专利技术提供的复合材料或根据本专利技术提供的制备方法得到的复合材料或本专利技术提供的锂离子电池负极材料。本专利技术提供的复合材料，通过在纳米硅表面依次包覆硅氧化物层和复合物层，复合物包括介孔碳和石墨烯，使得硅氧化物层和复合物层相互协同，能够有效缓冲纳米硅的体积膨胀，同时介孔碳和石墨烯有效提高了复合材料的导电性，使其作为负极活性材料用于锂离子电池中时，能够显著提高锂离子电池的倍率性能和循环性能。本专利技术提供的复合材料的制备方法先通过水热反应在纳米硅的表面形成硅氧化物层，使其作为分散基底，使得有机酸金属盐和氧化石墨烯均匀包覆在硅氧化物层上，然后再通过焙烧和酸洗得到介孔碳和石墨烯包覆在硅氧化物层上的多层包覆结构的多孔复合材料，使得该复合材料通过硅氧化物层、介孔碳和石墨烯相互协同能够有效缓冲纳米硅的体积膨胀，同时介孔碳和石墨烯还能够有效提高复合材料的导电性使其作为负极活性材料用于锂离子电池中时，能够显著提高锂离子电池的倍率性能和循环性能。本专利技术提供的锂离子电池负极材料通过采用本专利技术提供的复合材料作为负极活性材料，能够显著提高锂离子电池的倍率性能和循环性能。本专利技术提供的锂离子电池，采用本专利技术提供的复合材料作为负极活性材料，能够显著提高倍率性能和循环性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为纳米硅和实施例2提供的复合材料的XRD图。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种复合材料，包括纳米硅，和从内至外依次包覆的硅氧化物层和复合物层，所述复合物包括介孔碳和石墨烯。本专利技术提供的复合材料，通过在纳米硅表面依次包覆硅氧化物层、介孔硅和石墨烯的复合物层，使得硅氧化物层、介孔碳和石墨烯相互协同，能够有效缓冲纳米硅的体积膨胀，同时介孔碳和石墨烯有效提高了复合材料的导电性，使其作为负极活性材料用于锂离子电池中时，能够显著提高锂离子电池的倍率性能和循环性能。在本专利技术的一种优选实施方式中，硅氧化物层为SiOx层，其中x为1-2。根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提供了一种复合材料的制备方法，包括如下步骤：(a)将纳米硅、有机酸金属盐、氧化石墨烯分散在溶剂中，混合均匀，进行水热反应，干燥得到前驱体；(b)将前驱体进行焙烧，得到焙烧产物；(c)将焙烧产物用酸性溶液洗涤，干燥得到复合材料。本专利技术提供的复合材料的制备方法先通过水热反应在纳米硅的表面形成硅氧化物层，使其作为分散基底，使得有机酸金属盐和氧化石墨烯均匀包覆在硅氧化层上，然后再通过焙烧和酸洗得到介孔碳和石墨烯的复合物层包覆在硅氧化物层上的包覆结构的多孔复合材料，使得该复合材料通过硅氧化物层、介孔碳和石墨烯相互协同能够有效缓冲纳米硅的体积膨胀，同时介孔碳和石墨烯还能够有效提高复合材料的导电性使其作为负极活性材料用于锂离子电池中时，能够显著提高锂离子电池的倍率性能和循环性能。在本专利技术的一种优选实施方式中，纳米硅、有机酸金属盐和氧化石墨烯的质量比为(1-2):5:(0.1-0.3)，优选为1:5:0.1-0.3。在本专利技术的典型但非限制性的实施方式中，纳米硅、有机酸金属盐和氧化石墨烯的质量比如为1:5:0.1、1:5:0.2、1:5:0.3、2:5:0.3、2:5:0.1、2:5:0.2。通过控制纳米硅、有机酸金属盐和氧化石墨烯的质量比，以使得控制复合材料中纳米硅、硅氧化物层、介孔碳和石墨烯的质量比，使得复合材料既能够有效缓冲纳米硅的体积膨胀，又能够提高导电性，保证其在锂离子电池中作为负极活性材料使用时，使得锂离子电池的倍率性能和循环性能显著提高。在本专利技术的一种优选实施方式中，有机酸金属盐选自有机酸铁盐、有机酸镁盐、有机酸锰盐、有机酸铝盐、有机酸铜盐或有机酸锌盐中的至少一种。在本专利技术的该优选实施方式中，有机酸金属盐用于在焙烧和酸洗的作用下生成介孔碳。有机酸金属盐选自有机酸铁盐、有机酸镁盐、有机酸锰盐、有机酸铝盐、有机酸铜盐或有机酸锌盐中的一种或几种。在本专利技术的进一步优选实施方式中，有机酸金属盐为柠檬酸铁和/或柠檬酸镁。选用柠檬酸铁或柠檬酸镁作为有机酸金属盐时，其成本更加低廉，介孔碳的多孔结构更易于控制。在本专利技术的一种优选实施方式中，酸性溶液选自盐酸溶液、硫酸溶液或硝酸溶液中的一种或几种。有机酸金属盐在焙烧后得到金属氧化物均匀分散在碳层中的材料，通过酸洗，将金属氧化物从碳层中洗脱，即得到介孔碳，尤其是当选用盐酸溶液作为酸洗溶液时，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料，其特征在于，包括纳米硅，和从内至外依次包覆所述纳米硅的硅氧化物层和复合物层，所述复合物层包括介孔碳和石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于，包括纳米硅，和从内至外依次包覆所述纳米硅的硅氧化物层和复合物层，所述复合物层包括介孔碳和石墨烯。2.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)将纳米硅、有机酸金属盐、氧化石墨烯分散在溶剂中，混合均匀，进行水热反应，干燥得到前驱体；(b)将前驱体进行焙烧，得到焙烧产物；(c)将焙烧产物用酸性溶液洗涤，干燥得到复合材料；其中，所述复合材料包括纳米硅，和从内至外依次包覆所述纳米硅的硅氧化物层和复合物层，所述复合物包括介孔碳和石墨烯。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，纳米硅、有机酸金属盐和氧化石墨烯的质量比为(1-2)：5：(0.1-0.3)。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述有机酸金属盐选自有机酸铁盐、有机酸镁盐、有机酸锰盐、有机酸铝盐、有机酸铜盐或有机酸锌盐中...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐艳红，苗力孝，
申请(专利权)人：桑德集团有限公司，桑顿新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：西藏,54