一种硅镍合金-石墨烯电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了了一种硅镍合金‑石墨烯电极材料及其制备方法和应用。所述的电极材料为硅镍合金‑石墨烯材料，石墨烯与硅镍合金充分接触，硅镍合金中间相包裹硅颗粒。所述制备方法包括：以硅粉和镍粉为原料，采用等离子放电烧结(SPS)方法制备硅镍合金；而后将硅镍合金粉化与石墨烯粉末球磨复合，得硅镍合金‑石墨烯电极材料。本发明专利技术还提供了所述的硅镍合金‑石墨烯材料在制备锂离子电池负极中的应用。本发明专利技术硅镍合金‑石墨烯电极材料，具有可逆容量高、循环稳定性好、可规模化生产等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种硅镍合金-石墨烯电极材料及其制备方法和应用
本专利技术属于锂离子电池负极材料领域，特别涉及一种高容量、长寿命、低成本的硅镍合金-石墨烯复合物电极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)等新兴市场出现，对锂离子电池(LIB)产生巨大需求。目前商用的负极材料主要为石墨碳素类的碳材料，其最大理论比容量仅为372mAh/g，制约了锂电池容量的进一步提高。目前人们已经研究了具有高比容量的诸如Si或Sn合金的阳极材料。这些材料可以与锂形成合金，并且具有比石墨高得多的理论容量。Si的使用特别令人感兴趣，因为它具有4200mAhg-1的高理论容量。Si可以与锂可逆地反应形成各种Si-Li合金，并最终到达Li4.4Si合金。但是，由于硅在充放电过程中体积变化较大(～300％)，Si基阳极材料在与锂的合金化和去合金化过程中不能保持结构完整性。这些变化会导致电极材料粉化，循环性能显著下降。
技术实现思路
专利技术目的：为提升硅电极的导电性，延缓硅电极粉化、开裂的发生，本专利技术提供了一种硅镍合金-石墨烯电极材料，本专利技术的另一个目的是提供所述硅镍合金-石墨烯电极材料的制备方法及应用。技术方案：本专利技术所述的硅镍合金-石墨烯电极材料，包括：石墨烯与硅镍合金紧密接触，硅镍合金中间相包裹硅颗粒。本专利技术还提供了所述的硅镍合金-石墨烯电极材料的制备方法，包括：以硅粉和镍粉为原料，等离子放电烧结方法制备硅镍合金；将硅镍合金球磨粉化后与石墨烯粉末球磨复合，得硅镍合金-石墨烯电极材料。所述硅粉粒径为10～400目，进一步为30～200目，但并不限于此。所述镍粉粒径为10～500目，进一步为30～200目，但并不限于此。制备硅镍合金前，硅粉和镍粉先进行球磨，球料比为10～15:1，转速为300～450r/min，球磨时间为6～8h，进一步优选的，球料比为10:1，转速为450r/min，球磨时间为8h。选取较低的球料比是为了减少钢球对硅镍颗粒形状的破坏，选择合适的球磨转速和时间可使得硅粉和镍粉充分混均匀，使得产物更规则均一化。所述硅粉和镍粉的质量比为3:1～8:1，硅粉质量过低，会使得电极材料容量不高，硅粉质量过高会使得电极材料稳定性降低，优选为4:1～6:1，更优选为6:1。制备硅镍合金时采用放电等离子烧结(SPS)的方法。所述放电等离子烧结的温度为800℃～1400℃，温度过低不容易形成硅镍合金，温度过高会使得镍粉融化，影响烧结产物，优选的，烧结温度为800℃～1100℃，更优选为1000℃。所述放电等离子烧结的保温时间为5～60min，优选为10～15min，更优选为10min。保温时间过低，硅镍反应未完全，保温时间过高，可能会有部分镍会融化，影响烧结产物。制备的硅镍合金要进行球磨粉化，球磨粉化时，球料比为30～40:1，转速300～450r/min，球磨时间为1～3h，进一步优选的，球料比为40:1，转速450r/min，球磨时间为3h。选择上述条件是为了使产物块体得以充分细化，颗粒细小，复合材料的电化学性能有更好的效果。所述硅镍合金与石墨烯的质量比为1:1～6:1。石墨烯含量过少，电极材料的电化学性能提升不高，石墨烯含量过高，会导致电池容量不高。优选的，所述硅-硅镍合金与石墨烯的质量比为3:1～5:1，更优选为4：1。所述球磨复合时，球料比为30～40：1，转速为300～450r/min，球磨时间为1～5h。适宜的球磨时间、球料比、转速，利于石墨烯与硅镍合金更好的分散均匀，对电池的性能提升更加稳定。优选的，球料比为40：1，转速为450r/min，球磨时间为5h本专利技术还提供了所述的硅镍合金-石墨烯复合材料在制备锂离子电池负极中的应用。专利技术原理：对于硅基电极在充放电过程中的体积膨胀效应，通过合成硅镍复合材料，使得硅的体积膨胀由硅镍中间合金相缓释，避免负极材料在嵌脱锂过程中因体积变化应力而开裂、粉化，此外中间相还起到提高电极材料导电性能的作用，进一步提升硅基电极材料的电化学性能。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的硅镍合金-石墨烯材料循环稳定性好、导电性能优异、制备成本低且环境友好。本专利技术通过球磨处理，放电等离子烧结，获得的硅镍合金-石墨烯电极材料。通过放电等离子烧结，快速合成了硅镍合金复合物，并且产量高，电极的循环稳定性优异，适合工业生产。镍是一种过渡金属，并且本身导电性较高。同时，硅与镍在较低温度下可烧结形成合金相NiSi2；NiSi2在硅表面形成，为硅的体积膨胀起到缓冲介质作用，并且本身具有一定的导电性。而对于其他金属，与硅形成合金条件比较苛刻，一般会与硅形成固溶相，从原理上有一定的差异。形成Si-NiSi2这种核壳结构更加稳定可控。同时，石墨烯的加入显著提高了电极的离子传导，提高了电极材料的电化学性能。附图说明图1为硅镍合金-石墨烯电极材料的透射电镜图片；图2为硅镍合金-石墨烯电极材料的电化学循环稳定性测试；图3为硅镍合金-石墨烯电极材料的XRD测试图；图4为硅镍合金-石墨烯电极材料的交流阻抗测试图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。以下实施例使用的商品硅粉的粒径为40-200目，电解镍粉(阿拉丁)粒径为200目，石墨烯为商用石墨烯(德阳烯碳)。实施例11、一种硅镍合金-石墨烯电极材料的制备将商品硅粉和镍粉按质量比6：1进行球磨处理，球磨机型号为QM-3SP2，球磨时间为8h，球料比为10:1，转速450r/min。将球磨得到的硅镍混合物装入φ20mm的模具中放入放电等离子烧结炉中，对磨具两头施加3MPa的压力，并对炉体进行抽真空处理，然后按100℃/min升温至1000℃，并保温10min后冷却至室温，得到硅镍合金块体。所得硅镍块体进行球磨粉化，球料比为40:1，转速450r/min，球磨时间为3h，得到硅镍合金粉末。再将硅镍合金粉末和石墨烯粉末进行球磨复合，硅镍合金粉末和石墨烯粉末的质量比为4：1，球料比为40:1，转速450r/min，球磨时间为5h。最终得到硅镍合金-石墨烯复合材料。2、结构检测对所获的硅镍合金-石墨烯复合材料进行透射电镜观察，结果如图1所示。石墨烯与硅镍合金充分接触，并分散均匀；硅颗粒表面包裹一层NiSi2，起到缓冲介质作用，降低硅颗粒的体积膨胀。对硅镍合金-石墨烯材料进行XRD(X射线衍射)测试，测试结果见图3。由于NiSi2和Si之间的晶格失配非常小(0.4％)，XRD衍射峰很难分辨。3、性能检测取出所获得的硅镍合金-石墨烯复合材料、导电炭黑superP和粘结剂海藻酸钠按质量比8:1:1混合，加入适量去离子水调成均匀的浆料，涂覆(厚度约5μm)在集流体铜箔上。将涂覆有样品的铜箔放入真空干燥箱中，100℃干燥10小时。取出干燥后的样品，冲电极片，电极片直径为12mm。(1)循环稳定性电化学测试在2032型扣式电池体系中进行，电解液是1MLiPF6溶解在添加2％VC(碳酸亚乙烯酯)的EC/DEC(碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯，体积比1:1)溶液，对电极是金属锂片。先以200mA/g的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅镍合金‑石墨烯电极材料，其特征在于，包括：石墨烯与硅镍合金紧密接触，硅镍合金中间相包裹硅颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种硅镍合金-石墨烯电极材料，其特征在于，包括：石墨烯与硅镍合金紧密接触，硅镍合金中间相包裹硅颗粒。2.根据权利要求1所述的硅镍合金-石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，包括：以硅粉和镍粉为原料，采用等离子放电烧结方法制备硅镍合金；将硅镍合金球磨粉化后与石墨烯粉末球磨复合，得硅镍合金-石墨烯电极材料。3.根据权利要求2所述的硅镍合金-石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，硅镍合金与石墨烯的质量比为3:1～6:1。4.根据权利要求2所述的硅镍合金-石墨烯电极材料的制备方法，其特征在于，球磨复合时，球料比为30～40：1，转速为300～450r/min，球磨时间为1～5h。5.根据权利要求2所述的硅镍合金-石墨烯电极材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张耀，朱超烨，曲翊，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32