一种石墨烯/氧化硅复合材料的制备方法及其在电极材料中的应用技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯/氧化硅复合材料的制备方法及其用于电极材料的应用。所述制备方法包括如下步骤：a)将氧化硅颗粒均匀地分散在反应器的恒温区中；b)排除反应器中的空气，并且使反应器中充入惰性气体；c)在惰性气体氛围下，使反应器内的温度升高至预定温度；d)在达到预定温度之后，停止通入惰性气体和向反应器中通入碳源气体；e)在预定温度下保持一定时间，然后停止通入碳源气体和通入惰性气体，并且使反应器冷却至室温；f)取出样品，得到石墨烯/氧化硅复合材料。

Preparation of Graphene/Silica Composite and Its Application in Electrode Materials

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/氧化硅复合材料的制备方法及其在电极材料中的应用
本专利技术涉及一种石墨烯/氧化硅复合材料的制备方法。本专利技术还涉及由此制得的石墨烯/氧化硅复合材料、其用于电极材料，特别是锂电池正极电极材料的应用。此外，本专利技术涉及一种电极材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。它是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。因为其独特的结构，石墨烯具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质，如导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来将应用在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗等众多领域，可以说是最有前景的先进材料之一。目前，石墨烯材料的制备方法已报道的有：机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。其中有三种制备方法最为普及，分别是机械剥离法、化学气相沉积法和化学氧化法。氧化硅材料作为一种无机化工材料，具有许多独特的性质。如具有对抗紫外线的光学性能，能提高其他材料抗老化、强度和耐化学性能。它也常作为添加剂与其他材料组合成复合材料。如利用纳米二氧化硅透光、粒度小，可以使塑料变得更加致密，在聚苯乙烯塑料薄膜中添加二氧化硅后，能提高其透明度、强度、韧性、防水性能和抗老化性能。以及在树脂中加入氧化硅纳米材料，全面改善树脂基材料的性能（强度和延伸率等）。而新型的石墨烯/氧化硅复合材料就是在此基础上利用石墨烯材料提供的优异性能进一步地提高氧化硅材料的应用范围。使用其作为添加材料，不仅可以提升载体材料的机械性能，还能进一步赋予载体材料优异的电学性能。因此石墨烯/氧化硅复合材料结合了石墨烯与氧化硅的优良性能，作为一种新的功能材料可以更广泛地应用在能源、光电、传感等领域。CN108390037A描述了一种氧化硅-石墨烯包覆高镍锂电池正极材料的制备方法，其中将锂源、镍源、钴源、锰源及助剂按比例混合球磨制备为高镍三元前驱体浆料，将固定有纳米介孔氧化硅微球的丝网浸渍于浆料中，之后进行预烧、烧结、超声粉碎、研磨，获得氧化硅支撑的高镍三元粉体材料，接着将高镍三元粉体置于有机溶剂配置为悬浊液，通过物理手段剥离石墨烯片层加入悬浊液并进行搅拌，过滤烘干后进行低温热处理，获得石墨烯-氧化硅共包覆的高镍三元正极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的石墨烯/氧化硅复合材料的制备方法以及包含该复合材料的电极材料的制备方法。根据本专利技术的方法不仅操作过程简单，还能够精确控制石墨烯在氧化硅颗粒上的生长量和将所得复合材料均匀且充分地分散到电极材料，并且所获得的产物的性能稳定和可重复性好。此外，根据本专利技术的方法还不限于实验室制备，可以有利地拓展到工业化生产。所述目的通过根据本专利技术的石墨烯/氧化硅复合材料的制备方法、由此获得的石墨烯/氧化硅复合材料、包含石墨烯/氧化硅复合材料的电极材料以及该电极材料的制备方法而实现。在本专利技术的一个方面，提供一种制备石墨烯/氧化硅复合材料的方法，其包括如下步骤：a)将氧化硅颗粒均匀地分散在反应器的恒温区中；b)排除反应器中的空气，并且使反应器中充入惰性气体；c)在惰性气体氛围下，使反应器内的温度升高至预定温度；d)在达到预定温度之后，停止通入惰性气体和向反应器中通入碳源气体；e)在预定温度下保持一定时间，然后停止通入碳源气体和通入惰性气体，并且使反应器冷却至室温；f)取出样品，得到石墨烯/氧化硅复合材料。根据本专利技术的一个优选实施方案，所述制备石墨烯/氧化硅复合材料的方法包括如下步骤：a)将氧化硅颗粒均匀地分散在横式管状炉的恒温区中；b)排除管状炉中的空气，并且使管状炉中充入惰性气体；c)在惰性气体氛围下，使管状炉内的温度升高至预定温度；d)在达到预定温度之后，停止通入惰性气体和同时向管状炉中通入碳源气体；e)在预定温度下保持一定时间，然后停止通入碳源气体和同时通入惰性气体，并且使管状炉冷却至室温；f)取出样品，得到石墨烯/氧化硅复合材料，其中所述石墨烯/氧化硅复合材料的碳含量为10至50重量%，基于石墨烯/氧化硅复合材料的重量计。此外，本专利技术还涉及根据上述方法而获得的石墨烯/氧化硅复合材料。不受限于任何理论，在本专利技术中发现，通过采用横式管状炉、排净炉内的空气和在惰性气体氛围下加热的组合方式，可以明显提高石墨烯在氧化硅表面上的生长速率，从而有助于缩短生产时间，进而减少碳源气体的相对使用量，有利地节约工业生产中的原料成本。另外，根据本专利技术的制备方法可以精确地控制石墨烯在氧化硅表面上的生长量（包覆），由此获得的石墨烯/氧化硅复合材料的性能稳定，可重复性强。在本专利技术的另一个方面，提供一种电极材料，其包含作为主要成分的活性物质和作为辅助成分的导电剂和粘合剂。特别地，所述导电剂包含或是根据上述方法而获得的石墨烯/氧化硅复合材料。此外，本专利技术还涉及一种制备电极材料（特别是本专利技术的电极材料）的方法，其包括步骤：i)将活性物质、导电剂和粘合剂分散在溶剂中以制备浆料；ii)将步骤i)中的浆料均匀涂覆在基材（优选铝箔）上；和iii)将经涂覆的浆料干燥以得到电极材料。根据本专利技术的电极材料的制备方法，操作简单，在不需要借助特殊设备的情况下也可以实现各个组分的均匀且充分的分散，从而获得性能极佳的电极材料。附图说明图1：不同生长时间下石墨烯/氧化硅复合材料的碳含量；图2：根据本专利技术制备的具有20重量%碳含量的石墨烯/氧化硅复合材料的透射电子显微镜（TEM）形貌图；图3：根据本专利技术制备的具有20重量%碳含量的石墨烯/氧化硅复合材料的扫描电子显微镜（SEM）形貌图（左上和左下）、能谱仪（EDS）图（右上）及元素分布图（右下）；图4：根据本专利技术制备的具有20重量%碳含量的石墨烯/氧化硅复合材料的SEM-Mapping形貌图及元素分布；图5：使用根据本专利技术的方法而制备的含有20重量%碳含量的石墨烯/氧化硅复合材料的电极材料的SEM形貌图（左上），碳-硅元素分布图（右上），碳元素分布图（左下）和硅元素分布图（右下）；图6：使用根据本专利技术的另一个实施方案的方法而制备的含有20重量%碳含量的石墨烯/氧化硅复合材料的电极材料的SEM形貌图（左上），碳-硅元素分布图（右上），碳元素分布图（左下）和硅元素分布图（右下）；和图7：根据本专利技术方法而制备的正极材料电极性能测试，其中使用20重量%碳含量的石墨烯/氧化硅复合材料。具体实施方式本专利技术提供一种制备石墨烯/氧化硅复合材料的方法，其包括如下步骤：a)将氧化硅颗粒均匀地分散在反应器的恒温区中；b)排除反应器中的空气，并且使反应器中充入惰性气体；c)在惰性气体氛围下，使反应器内的温度升高至预定温度；d)在达到预定温度之后，停止通入惰性气体和向反应器中通入碳源气体；e)在预定温度下保持一定时间，然后停止通入碳源气体和通入惰性气体，并且使反应器冷却至室温；f)取出样品，得到石墨烯/氧化硅复合材料。根据本专利技术的一个优选实施方案，所述制备石墨烯/氧化硅复合材料的方法包括如下步骤：a)将氧化硅颗粒均匀地分散在横式管状炉的恒温区中；b)排除管状炉中的空气，并且使管状炉中充入惰性气体；c)在惰性气体氛围下，使管状炉内的温度升高至预定温度；d)在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备石墨烯/氧化硅复合材料的方法，其包括如下步骤：a) 将氧化硅颗粒均匀地分散在反应器的恒温区中；b) 排除反应器中的空气，并且使反应器中充入惰性气体；c) 在惰性气体氛围下，使反应器内的温度升高至预定温度；d) 在达到预定温度之后，停止通入惰性气体和向反应器中通入碳源气体；e) 在预定温度下保持一定时间，然后停止通入碳源气体和通入惰性气体，并且使反应器冷却至室温；f) 取出样品，得到石墨烯/氧化硅复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备石墨烯/氧化硅复合材料的方法，其包括如下步骤：a)将氧化硅颗粒均匀地分散在反应器的恒温区中；b)排除反应器中的空气，并且使反应器中充入惰性气体；c)在惰性气体氛围下，使反应器内的温度升高至预定温度；d)在达到预定温度之后，停止通入惰性气体和向反应器中通入碳源气体；e)在预定温度下保持一定时间，然后停止通入碳源气体和通入惰性气体，并且使反应器冷却至室温；f)取出样品，得到石墨烯/氧化硅复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应器是横式管状炉或竖式管状炉。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述预定温度为900至1100℃，优选950至1050℃，更优选1000℃。4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述碳源气体是甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、乙炔、丙炔、甲醇、乙醇或其任意组合。5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中在步骤d)中碳源气体的通入速率为5至20sccm，优选8至17sccm，更优选10至15sccm/0.1g的氧化硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙泰，史浩飞，冯双龙，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆,50