一种无定型硅-石墨复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于复合材料技术领域，特别涉及一种无定型硅‑石墨复合材料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的无定型硅‑石墨复合材料，包括依次层叠的集流体、石墨导电层和无定型硅沉积层。本发明专利技术所述无定型硅‑石墨复合材料中的石墨导电层可以容纳部分硅材料，起到缓冲硅膨胀的作用，有利于提高复合材料的循环稳定性；无定型硅有利于降低复合材料的结构应变力，进而降低复合材料的体积变化，进而有利于提高所述无定型硅‑石墨复合材料的循环稳定性和倍率性能。实施例测试结果表明，本发明专利技术提供的无定型硅‑石墨复合材料在循环50次以后，仍具有1100mAh/g的容量，具有良好的循环稳定性和优异的倍率性能。

An amorphous silicon graphite composite and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种无定型硅-石墨复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于电极材料
，特别涉及一种无定型硅-石墨复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池以其高能量密度和高功率输出而在储能领域获得极大应用。硅作为锂离子电池众多负极材料的备选之一，在常温下的理论比容量为3572mAh·g-1，远高于石墨(372mAh·g-1)，是目前已知比容量最高的锂离子电池负极材料；除此之外，它还有较低的充放电电位、价格低廉、环境友好等优点。但纯硅在充放电的过程中，由于锂离子不断地与硅进行合金化与去合金化，造成了硅巨大的体积膨胀效应(可达300％)，这会使硅负极材料破碎、粉化，造成硅负极材料从集流体上脱落，使电池容量急剧下降，严重限制硅在锂离子电池中的实际应用。为了能够使硅负极材料保持较高的循环稳定性，目前对硅材料的改性主要有两类。一种为通过对材料本身进行改善，如改变其本身的晶型，形貌大小等，如将硅材料纳米化；另一种为通过一些特殊结构的复合硅体系，来达到良好控制体积膨胀的效果，如将碳材料和硅形成孔洞结构复合物，虽然其一定程度提升了材料的稳定性，但在首次充放电时不可逆容量很大，限制了其实际应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种无定型硅-石墨复合材料，具有良好的循环稳定性、优异的倍率性能，有效改善了硅负极材料的体积膨胀问题；本专利技术还提供了一种无定型硅-石墨复合材料的制备方法和应用。为了实现上述专利技术的目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种无定型硅-石墨复合材料，包括依次层叠的集流体、石墨导电层和无定型硅沉积层。本专利技术还提供了上述技术方案所述无定型硅-石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：将石墨、导电剂、粘结剂和有机溶剂混合，得到浆料；将所述浆料涂布在集流体上后，依次进行鼓风干燥和真空干燥，得到集流体-石墨层材料；利用三电极体系，以所述集流体-石墨层材料为工作电极，在含硅电沉积液中进行恒电位电沉积，在所述集流体-石墨层材料的石墨层表面沉积得到无定型硅，得到所述无定型硅-石墨复合材料。优选的，所述石墨、导电剂和粘结剂的质量比为(7～8)：(1～2)：(1～2)。优选的，所述导电剂为乙炔黑；所述粘结剂为聚偏氟乙烯。优选的，所述鼓风干燥的温度为80～120℃，时间为1～4h。优选的，所述真空干燥的温度为100～150℃，时间为8～12h，真空度为-0.1MPa。优选的，所述硅电沉积液的制备方法包括以下步骤：将导电助剂、有机溶剂和卤化硅混合，得到所述硅电沉积液；硅电沉积液中导电助剂的浓度为0.1～0.5mol/L；所述卤化硅的浓度为0.3～1mol/L。优选的，所述三电极体系中的辅助电极为铂片，参比电极为铂片。优选的，所述恒电位电沉积中沉积电位为-1.5～-3V，沉积时间为1～12h。本专利技术还提供了上述技术方案所述无定型硅-石墨复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的无定型硅-石墨复合材料作为负极材料在锂离子电池中的应用。本专利技术提供了一种无定型硅-石墨复合材料，包括依次层叠的集流体、石墨导电层和无定型硅沉积层。本专利技术所述无定型硅-石墨复合材料中的石墨导电层可以在锂离子脱嵌过程中增加电子的传输速度，同时容纳部分硅材料，起到缓冲硅膨胀的作用，有利于提高复合材料的循环稳定性；无定型硅可以提供较低的活化能势垒，有利于降低复合材料的结构应变力，进而降低复合材料的体积变化，进而有利于提高所述无定型硅-石墨复合材料的循环稳定性和倍率性能。实施例测试结果表明，本专利技术提供的无定型硅-石墨复合材料在循环50次以后，仍具有1100mAh/g的容量，具有良好的循环稳定性和优异的倍率性能，首次不可逆放电容量仅为885mAh·g-1。本专利技术还提供了上述技术方案所述无定型硅-石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：将石墨、导电剂、粘结剂和有机溶剂混合，得到浆料；将所述浆料涂布在集流体上后，依次进行鼓风干燥和真空干燥，得到集流体-石墨层材料；利用三电极体系，以所述集流体-石墨层材料为工作电极，在含硅电沉积液中进行恒电位电沉积，在所述集流体-石墨层材料的石墨层表面沉积得到无定型硅，得到所述无定型硅-石墨复合材料。本专利技术通过电沉积方法完成无定型硅和石墨复合，有利于石墨对无定型硅的容纳，增加复合材料中无定型硅和石墨结合的紧密型，有利于所述无定形硅-石墨复合材料的结构稳定性。附图说明图1为实施例4制备的无定型硅-石墨复合材料的电沉积液的线性扫描图；图2为实施例4制备的无定型硅-石墨复合材料的SEM图；图3为实施例4制备的无定型硅-石墨复合材料的XRD图；图4为实施例4制备的无定型硅-石墨复合材料在锂离子电池中的循环伏安图；图5为应用例1制备的锂离子电池的容量电压图；图6为应用例1制备的锂离子电池的循环性能图；图7为应用例2制备的锂离子电池的容量电压图；图8为应用例2制备的锂离子电池的循环性能图。具体实施方式本专利技术提供了一种无定型硅-石墨复合材料，包括依次层叠的集流体、石墨导电层和无定型硅沉积层。在本专利技术中，所述集流体优选为铜箔。在本专利技术中，所述石墨导电层的厚度优选为5～15μm，更优选为8～12μm，最优选为10μm。在本专利技术中，所述无定型硅沉积层的厚度优选为450～550nm，更优选为470～530nm，最优选为500nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述无定型硅-石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：将石墨、导电剂、粘结剂和有机溶剂混合，得到浆料；将所述浆料涂布在集流体上后，依次进行鼓风干燥和真空干燥，得到集流体-石墨层材料；利用三电极体系，以所述集流体-石墨层材料为工作电极，在含硅电沉积液中进行恒电位电沉积，在所述集流体-石墨层材料的石墨层表面沉积得到无定型硅，得到所述无定型硅-石墨复合材料。本专利技术将石墨、导电剂、粘结剂和有机溶剂混合，得到浆料。本专利技术对所述石墨的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的石墨即可，具体的如市售的商业石墨。在本专利技术中，所述导电剂优选为乙炔黑。在本专利技术中，所述粘结剂优选为聚偏氟乙烯。在本专利技术中，所述有机溶剂优选为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。本专利技术对所述混合没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的混合即可。在所述混合前，本专利技术优选将所述石墨进行研磨；本专利技术对所述研磨没有特殊限定，以本领域技术人员熟知的研磨即可；本专利技术通过研磨，降低石墨的粒径，以有利于石墨在浆料中的充分分散。得到浆料后，本专利技术将所述浆料涂布在集流体上后，依次进行鼓风干燥和真空干燥，得到集流体-石墨层材料。在本专利技术中，所述集流体优选为铜箔；本专利技术对所述铜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无定型硅-石墨复合材料，其特征在于，包括依次层叠的集流体、石墨导电层和无定型硅沉积层。/n

【技术特征摘要】
1.一种无定型硅-石墨复合材料，其特征在于，包括依次层叠的集流体、石墨导电层和无定型硅沉积层。


2.一种权利要求1所述无定型硅-石墨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将石墨、导电剂、粘结剂和有机溶剂混合，得到浆料；
将所述浆料涂布在集流体上后，依次进行鼓风干燥和真空干燥，得到集流体-石墨层材料；
利用三电极体系，以所述集流体-石墨层材料为工作电极，在含硅电沉积液中进行恒电位电沉积，在所述集流体-石墨层材料的石墨层表面沉积得到无定型硅，得到所述无定型硅-石墨复合材料。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述石墨、导电剂和粘结剂的质量比为(7～8)：(1～2)：(1～2)。


4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述导电剂为乙炔黑；所述粘结剂为聚偏氟乙烯。


5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述鼓风干燥的温度为8...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘峰，肖启振，李朝晖，雷钢铁，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43