一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将微米硅粉室温下进行球磨得到纳米硅粉；(2)将步骤(1)获得的纳米硅粉与碳源和氧化石墨烯进行液相混合制得混合物；(3)将步骤(2)制得的混合物干燥后在惰性气氛下热解形成硅/碳/石墨烯的负极复合材料。根据本发明专利技术的制备方法获得的石墨烯锂离子电池负极复合材料表现出优异的倍率性能和循环性能。

Preparation of a Graphene Lithium Ion Battery Anode Composite Material

The invention provides a preparation method of graphene lithium ion battery negative electrode composite material, which includes the following steps: (1) milling micron silicon powder at room temperature to obtain nano-silicon powder; (2) mixing nano-silicon powder with carbon source and graphene oxide to prepare mixture in liquid phase; (3) pyrolysis to form silicon/carbon/stone in inert atmosphere after drying the mixture obtained; (2) pyrolysis to form silicon/carbon/stone in inert atmosphere. Melene negative electrode composite material. The graphene lithium ion battery negative electrode composite obtained according to the preparation method of the present invention exhibits excellent rate performance and cycling performance.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法
本专利技术涉及电池负极材料的制备方法，特别涉及一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法。
技术介绍
随着人类的过度开采和利用，化石能源正在面临枯竭，并且随之产生的全球变暖，环境污染等问题将成为未来阻碍人类经济发展甚至威胁人类生存的首要问题。因此，开发并高效利用新型、可再生的绿色清洁能源已经成为人类亟待解决的重要问题。此外，人们日益增加的高速通信和交通的需求使得便携式储能成为储能科技的关键技术。锂离子二次电池因其能量密度高，质量轻，自放电小，循环使用寿命长等优异的性能正广泛应用于各种便携式电子设备中。硅因其迄今为止最高的理论比容量(4200mAh/g)和适中的嵌锂电位(0.2V)等优点有望成为下一代商业化的高容量锂离子负极材料。然而，硅在脱嵌锂过程中伴随着巨大的体积膨胀(>300％)，导致差的循环性能。此外，硅的导电性差。将硅纳米化可以有效缓解硅的体积膨胀问题。然而，纳米硅比表面积(>50m2/g)较大，在低电位时易引发副反应，并且制备纳米硅成本较高，限制了其实际应用。石墨烯是一种二维碳材料，具有超高的比表面积、优异的导电性和力学韧性，广泛用于各种电子元件、储能器件和其他复合材料中。人们期待提供一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法，以解决现有电池负极复合材料存在的缺陷。由该方法制备的石墨烯锂离子电池负极复合材料含有石墨烯，有效改善了硅基材料的导电性，石墨烯优异的力学韧性缓冲了硅在充放电过程中的体积膨胀问题。此外，石墨烯和高温热解碳的共同作用极大改善了硅基材料的电性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法，旨在解决解决现有负极复合材料的制备技术中存在的问题。本专利技术的目的通过以下技术方案得以实现。本专利技术的一个实施方式提供了一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将微米硅粉室温下进行球磨得到纳米硅粉；(2)将步骤(1)获得的纳米硅粉与碳源和氧化石墨烯进行液相混合制得混合物；(3)将步骤(2)制得的混合物干燥后在惰性气氛下热解形成硅、碳和石墨烯的负极复合材料。根据本专利技术的上述一个实施方式提供的制备方法，其中所述步骤(1)中球磨采用的设备为行星式球磨机，球磨转速为300-600转/分钟，球磨时间为10-40小时。根据本专利技术的上述一个实施方式提供的制备方法，其中步骤(1)中纳米硅粉的尺寸为100-700纳米。根据本专利技术的上述一个实施方式提供的制备方法，其中步骤(2)中的混合物包括质量百分比为7-30％的氧化石墨烯、质量百分比为5-40％的纳米硅粉和质量百分比为40-70％的碳源。根据本专利技术的上述一个实施方式提供的制备方法，其中所述步骤(2)中的碳源为水溶性碳源。根据本专利技术的上述一个实施方式提供的制备方法，其中所述水溶性碳源为水溶性葡萄糖、柠檬酸和蔗糖中的至少一种。根据本专利技术的上述一个实施方式提供的制备方法，其中步骤2中液相混合采用的液体为水。根据本专利技术的上述一个实施方式提供的制备方法，其中步骤(3)中的热解温度为300-1000摄氏度，惰性气氛为氩气气氛，时间为1-4小时。根据本专利技术的上述一个实施方式提供的制备方法，其中步骤(3)中的热解温度为500-1000摄氏度，惰性气氛为氩气气氛，时间为2-3小时。根据本专利技术的上述一个实施方式提供的制备方法，其中步骤(3)中的干燥方法为真空干燥或冷冻干燥。本剧本专利技术的制备方法获得的石墨烯掺杂的硅碳复合材料表现出优异的倍率性能(1A/g：800mAh/g)和循环性能(0.3A/g：100周后容量仍保持在700mAh/g).同样碳含量下，当掺杂氧化石墨烯的质量分数为7-30％质量百分比时，硅基复合材料的电化学性能得到明显改善，这是因为石墨烯良好的导电性和优异的力学韧性极大改善了硅基材料的导电性和体积膨胀问题，获得了性能优异的硅基复合材料。附图说明图1为实施例1中石墨烯锂离子电池负极复合材料硅/碳/石墨烯复合材料的SEM图；图2为实施例1石墨烯锂离子电池负极复合材料硅/碳/石墨烯复合材料的TEM图；图3为实施例1石墨烯锂离子电池负极复合材料硅/碳/石墨烯复合材料和实施例3中球磨后的纳米硅的XRD图；图4为石墨烯锂离子电池负极复合材料硅/碳/石墨烯、同样碳含量下未掺杂石墨烯的锂离子电池硅碳负极材料硅/碳、球磨后的硅粉在不同电流密度下的倍率性能；图5石墨烯锂离子电池负极复合材料硅/碳/石墨烯在0.3A/g的电流密度下的循环性能。具体实施方式为了更好地说明本专利技术，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本专利技术提供一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法，其包括如下步骤：(1)将微米硅粉室温下进行球磨得到纳米硅粉；(2)将步骤(1)获得的纳米硅粉与碳源和氧化石墨烯进行液相混合制得混合物；(3)将步骤(2)制得的混合物干燥后在惰性气氛下热解形成硅、碳和石墨烯的负极复合材料。在本专利技术的一个实施方式中，惰性气体为氩气，碳源为水溶性碳源，水溶性碳源为水溶性葡萄糖、柠檬酸和蔗糖中的至少一种，液相混合采用的液体为水。本专利技术的制备方法通过以下实施例得以实现。实施例1：(1)取微米硅粉置于行星式球磨机上球磨20小时，转速为500转/分钟，制得的纳米硅粉尺寸约为100-700纳米。(2)1克球磨后的纳米硅粉和3克的葡萄糖以及0.5克的氧化石墨烯分散于水溶液中，混合均匀制得混合物。(3)将上述混合物冷冻干燥。(4)将干燥后的产物于惰性气体氛围下升温至600摄氏度，恒温1小时，得到最终产物硅/碳/石墨烯。(5)分别称取80毫克硅/碳/石墨烯、10mg导电添加剂和10毫克粘结剂即二者的质量比为：硅/碳/石墨烯:导电添加剂：粘结剂＝8:1:1于研钵中，混合均匀，刮涂成膜于集流体上。(6)将膜于60摄氏度干燥1小时，再150摄氏度真空1小时，裁片，电极片重量为1-3毫克不等。转移至手套箱组装扣电，扣电的组成包括集流体、电极片、隔膜、电解液(商用硅碳电解液)和电池壳。(7)将电池连接到电池测试系统，进行不同密度下的充放电性能测试。在该实施例中，惰性气体为氩气。实施例2：(1)取微米硅粉置于行星式球磨机上球磨20小时，转速为600转/分钟，制得的纳米硅粉尺寸约为100-700纳米。(2)1克球磨后的纳米硅粉和2克的葡萄糖分散于水溶液中，混合均匀制得混合物。(3)将上述混合物冷冻干燥。(4)将干燥后的产物于惰性气体氩气气氛下升温至600摄氏度，恒温1小时，得到最终产物硅/碳。(5)分别称取80毫克硅/碳、10mg导电添加剂和10毫克粘结剂(硅/碳:导电添加剂：粘结剂＝8:1：1)于研钵中，混合均匀，刮涂成膜于集流体上，电极片重量为1-3毫克不等。(6)将膜于60摄氏度干燥1小时，在150摄氏度真空1小时，裁片，转移至手套箱组装扣电，扣电的组成包括集流体、电极片、隔膜、电解液(商用硅碳电解液)和电池壳。(7)将电池连接到电池测试系统，进行不同电流密度下的充放电性能测试。实施例3：(1)取微米硅粉置于行星式球磨机上球磨20小时，转速为600转/分钟，制得的纳米硅粉尺寸约为100-700纳米。(2)1克球磨后的纳米硅粉分散于水溶液中，分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将微米硅粉室温下进行球磨得到纳米硅粉；(2)将步骤(1)获得的纳米硅粉与碳源和氧化石墨烯进行液相混合制得混合物；(3)将步骤(2)制得的混合物干燥后在惰性气氛下热解形成硅、碳和石墨烯的负极复合材料。

【技术特征摘要】
2017.07.21 CN 2017105993870;2017.07.21 CN 201710591.一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将微米硅粉室温下进行球磨得到纳米硅粉；(2)将步骤(1)获得的纳米硅粉与碳源和氧化石墨烯进行液相混合制得混合物；(3)将步骤(2)制得的混合物干燥后在惰性气氛下热解形成硅、碳和石墨烯的负极复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中球磨采用的设备为行星式球磨机，球磨转速为300-600转/分钟，球磨时间为10-40小时。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中纳米硅粉的尺寸为100-700纳米。4.根据权利要求1所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐艳红，李汉辰，陈冬，杨力，
申请(专利权)人：北京碳极极电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11