石墨烯基硅碳复合材料及其制备方法和用途及电池技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯基硅碳复合材料及其制备方法和用途及电池。该石墨烯基硅碳复合材料的制备方法包括:将有机羧酸盐、强碱弱酸盐、硅颗粒和带正电荷的石墨烯分散在水中，得到石墨烯‑硅分散液；将石墨烯‑硅分散液进行喷雾干燥，得到石墨烯‑硅前体；将石墨烯‑硅前体在惰性环境中焙烧，得到石墨烯基硅碳复合材料。上述石墨烯基硅碳复合材料由石墨烯基硅碳复合材料的制备方法制得。上述电池包括石墨烯基硅碳复合材料。上述石墨烯基硅碳复合材料用于制备电池。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯基硅碳复合材料及其制备方法和用途及电池
本专利技术涉及电池
，尤其涉及一种石墨烯基硅碳复合材料及其制备方法和用途及电池。
技术介绍
随着人们对电动汽车续航里程要求的不断提高，以石墨类负极材料已经无法满足动力电池日益提高的比能量的需求，人们迫切需要一种更高容量的负极材料。而在众多高容量负极材料中，硅材料具有超高的比容量(理论容量4200mAh/g)使得硅材料被视为最有潜力的电池负极材料。但是，硅作为电极材料在电池中应用时还不得不面对一个非常棘手的问题：电池充放电的过程中，锂离子反复脱嵌会使得硅材料产生非常大的体积膨胀，体积膨胀率甚至达到300％。这不仅会破坏硅材料自身的颗粒结构，还会对电极的粘结剂和导电剂网络产生破坏，严重破坏电池电极的循环性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石墨烯基硅碳复合材料及其制备方法和用途及电池，可以提高含有硅材料的电极的结构稳定性，保证电池的循环性能。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种石墨烯基硅碳复合材料的制备方法。上述石墨烯基硅碳复合材料的制备方法包括：步骤1)：将有机羧酸盐、强碱弱酸盐、硅颗粒、可选的碳源和带正电荷的石墨烯分散在水中，使得所述有机羧酸盐和所述强碱弱酸盐水解后发生缩合反应，形成混合凝胶交联剂包裹在硅颗粒表面，同时混合凝胶交联剂与带正电荷的石墨烯通过静电反应组装在一起，形成石墨烯-硅分散液；步骤2)：将所述石墨烯-硅分散液进行喷雾干燥，得到石墨烯-硅前体；步骤3)：将所述石墨烯-硅前体在惰性环境中焙烧，使所述混合凝胶交联剂碳化，得到石墨烯基硅碳复合材料。与现有技术相比，本专利技术实施例提供的石墨烯基硅碳复合材料的制备方法中，有机羧酸盐与水混合能够发生水解反应，得到有机羧酸。强碱弱酸盐与水混合能够发生水解反应，在水中形成弱酸氢根离子。而有机羧酸和弱酸氢根离子能够脱水缩合，从而使得水解后的机羧酸盐和强碱弱酸盐能够发生脱水缩合反应形成三维网状结构的混合凝胶交联剂包裹在硅材料表面。同时混合凝胶交联剂表面未发生脱水缩合反应的弱酸氢根离子能够与带正电的石墨烯通过静电反应组装在一起，得到石墨烯-硅分散液。而由于带正电荷的石墨烯和包裹有混合凝胶交联剂的硅颗粒通过静电反应组装在一起，使得石墨烯与硅颗粒之间具有较好的结合强度，因此，将石墨烯-硅前体在惰性环境下进行烧结后，所获得的石墨烯基硅碳复合材料所含有的硅和石墨烯的结合比较紧密，使得石墨烯基硅碳复合材料具有良好的结构强度，可见，当石墨烯基硅碳复合材料应用于电池电极时，石墨烯基硅碳复合材料可以提高电极的结构稳定性，降低电极结构坍塌和电极材料剥落的发生机率，从而提高电池循环性能。同时，混合凝胶交联剂在焙烧的过程中发生碳化，会在硅颗粒表面形成薄层碳层，一方面可以为硅颗粒的膨胀提供了足够的体积空间，减小硅颗粒膨胀对电极导电网络破坏，进一步保证电池的循环性能。另一方面可以使得相邻的石墨烯片层被硅颗粒隔开的区域自身形成良好的导电连接，可以保证石墨烯基硅碳复合材料具有良好的导电性能。本专利技术还提供了一种石墨烯基硅碳复合材料。该石墨烯基硅碳复合材料由上述石墨烯基硅碳复合材料的制备方法制备得到。与现有技术相比，本专利技术提供的石墨烯基硅碳复合材料的有益效果与上述石墨烯基硅碳复合材料的制备方法的有益效果相同，再次不做赘述。本专利技术还提供了一种电池。该电池包括上述石墨烯基硅碳复合材料。与现有技术相比，本专利技术提供的电极材料的有益效果与上述石墨烯基硅碳复合材料的有益效果相同，在此不做赘述。本专利技术还提供了石墨烯基硅碳复合材料在制备电池中的用途。与现有技术相比，本专利技术实施例提供的石墨烯基硅碳复合材料在制备电池中的用途的有益效果与上述电极材料的有益效果相同，在此不做赘述。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例提供的石墨烯基硅碳复合材料的制备流程图之一；图2为本专利技术实施例提供的石墨烯基硅碳复合材料的制备流程图之二；图3为本专利技术实施例提供的石墨烯基硅碳复合材料的制备流程图之三；图4为本专利技术实施例一制得的石墨烯基硅碳复合材料的电镜图；图5为本专利技术实施方案提供的扣式电池的制备流程图；图6为扣式电池的电化学性能曲线图。具体实施方式下面将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，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。随着人们对电动汽车续航里程要求的不断提高，传统的石墨类负极材料已经无法满足动力电池日益提高的比能量的需求，人们迫切的需求一种更高容量的负极材料。在众多高容量负极材料中，硅材料具有超高放入比容量(理论容量4200mAh/g)使得硅材料被视为最有潜力的电池负极材料。但是，硅作为电极材料在电池中应用时还不得不面对一个非常棘手的问题：电池充放电的过程中，锂离子反复脱嵌会使得硅材料产生非常大的体积膨胀，体积膨胀率甚至达到300％。这不仅会破坏硅材料自身的颗粒结构，还会对电极的粘结剂和导电剂网络产生破坏，严重破坏电池电极的循环性能。实施方案一为了提高含硅材料的电极的结构稳定性，保证电池的循环性能，参见图1，本专利技术实施方案提供了一种石墨烯基硅碳复合材料的制备方法。该石墨烯基硅碳复合材料的制备方法包括：步骤1)：将有机羧酸盐、强碱弱酸盐、硅颗粒和带正电荷的石墨烯分散在水中，使得有机羧酸盐和强碱弱酸盐水解后发生缩合反应，形成混合凝胶交联剂包裹在硅颗粒表面；同时混合凝胶交联剂与带正电荷的石墨烯通过静电反应组装在一起，得到石墨烯-硅分散液。需要说明的是，上述有机羧酸盐指的是含有羧基的有机羧酸所形成的盐类，并且上述有机羧酸盐在高温环境下可以发生碳化。上述有机羧酸盐的种类可以根据实际情况进行选择。例如。有机羧酸盐可以为羧甲基纤维素钠、水杨酸钠等。上述强碱弱酸盐指的是强碱和弱酸反应生成的盐。上述强碱弱酸盐的种类可以根据实际情况进行选择，只要能够使得强碱弱酸盐水解得到弱酸氢根离子即可。例如，上述强碱弱酸盐中的酸根离子可以为硼酸根离子(B4O72-)、碳酸根离子(CO32-)、亚硫酸根离子(SO32-)和硅酸根离子(SiO32-)，上述强碱弱酸盐中强碱离子可以为钠离子(Na+)、钾离子(K+)、钙离子(Ca2+)和钡离子(Ba2+)等。上述带正电荷的石墨烯可以为氧化石墨烯或氨基化石墨烯。此时，有机羧酸盐溶于水中后会发生水解反应，得到有机羧酸。同时，强碱弱酸盐也会发生水解反应，在水中形成弱酸氢根离子。有机羧酸和弱酸氢根离子能够发生脱水缩合反应，从而使得水解后的有机羧酸盐和强碱弱酸盐形成三维网状结构的混合凝胶交联剂包裹在硅材料的表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯基硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括：/n步骤1)：将有机羧酸盐、强碱弱酸盐、硅颗粒、可选的碳源和带正电荷的石墨烯分散在水中，使得所述有机羧酸盐和所述强碱弱酸盐水解后发生缩合反应，形成混合凝胶交联剂包裹在所述硅颗粒表面，同时所述混合凝胶交联剂与所述带正电荷的石墨烯通过静电反应组装在一起，得到石墨烯-硅分散液；/n步骤2)：将所述石墨烯-硅分散液进行喷雾干燥，得到石墨烯-硅前体；/n步骤3)：将所述石墨烯-硅前体在惰性环境中焙烧，使所述混合凝胶交联剂碳化，得到石墨烯基硅碳复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1)：将有机羧酸盐、强碱弱酸盐、硅颗粒、可选的碳源和带正电荷的石墨烯分散在水中，使得所述有机羧酸盐和所述强碱弱酸盐水解后发生缩合反应，形成混合凝胶交联剂包裹在所述硅颗粒表面，同时所述混合凝胶交联剂与所述带正电荷的石墨烯通过静电反应组装在一起，得到石墨烯-硅分散液；
步骤2)：将所述石墨烯-硅分散液进行喷雾干燥，得到石墨烯-硅前体；
步骤3)：将所述石墨烯-硅前体在惰性环境中焙烧，使所述混合凝胶交联剂碳化，得到石墨烯基硅碳复合材料。


2.根据权利要求1所述的石墨烯基硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，将所述有机羧酸盐、强碱弱酸盐、硅颗粒、可选的碳源和带正电荷的石墨烯分散在水中包括：
步骤1.1)：将有机羧酸盐溶液和强碱弱酸盐溶液与硅分散液混合均匀，得到第一混合分散液；
步骤1.2)：将所述第一混合分散液、带正电荷的石墨烯分散液与可选的碳源分散液混合均匀。


3.根据权利要求2所述的石墨烯基硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1)中，将有机羧酸盐溶液和强碱弱酸盐溶液与硅分散液混合均匀包括：
将有机羧酸盐溶液和强碱弱酸盐溶液加入至硅分散液中，搅拌分散均匀；
和/或，
所述步骤1.2)中，所述将所述第一混合分散液、带正电荷的石墨烯分散液和可选的碳源分散液混合均匀包括：
步骤1.2.1)：将所述第一混合分散液加入至带正电荷的石墨烯分散液中，搅拌混合后，加入碳源分散液，得到第二混合分散液；
步骤1.2.2)：将所述第二混合分散液进行磨机混合，得到石墨烯-硅分散液；
优选地，所述步骤1.2.1)中，搅拌混合的时间为1h～3h，搅拌混合的速度为10rpm～50rpm；
优选地，所述步骤1.2.2)中，所述磨机混合在球磨机中进行，所述球磨机的转速为250rpm～400rpm，所述磨机混合的时间为1h～4h。


4.根据权利要求2或3所述的石墨烯基硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤1.2)，将所述第一混合分散液、带正电荷的石墨烯分散液和可选的碳源分散液混合均匀之后，所述步骤1)，将有机羧酸盐、强碱弱酸盐、硅颗粒、可选的碳源和带正电荷的石墨烯分散在水中还包括：
步骤1.3)：将混合均匀的所述第一混合分散液、所述带正电荷的石墨烯分散液和所述可选的碳源分散液进行加热；
优选地，采用水浴加热法对混合均匀的所述第一混合分散液、所述带正电荷的石墨烯分散液和所述可选的碳源分散液进行加热；
进一步优选地，所述水浴加热的温度为65℃～90℃，所述水浴加热的时间为6h～16h。
<...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝胐，王文阁，王俊美，袁伟，李金来，
申请(专利权)人：新奥石墨烯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13