本发明专利技术公开了一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料及其制备方法，属于化学电源技术领域。本发明专利技术的复合材料包括以下质量百分比的组分：硅基材料10‑98％，石墨烯纳米带1‑89％，锂元素1‑10％；本发明专利技术将硅基材料经过表面活性剂处理使之带上正电的静电荷，接着将处理后的硅基材料和石墨烯纳米带通过搅拌混合，经收集干燥高温处理后得到复合材料；再将得到的复合材料直接与锂片机械接触，通过调节外部施加压力和施压时间实现可控预锂化。本发明专利技术具有工艺简单，操作方便的特点，并且本发明专利技术制备得到的硅基/石墨烯纳米带复合材料比容量高，首次库伦效率高，循环寿命长，倍率性能强，可应用于高比能的锂离子电池。
【技术实现步骤摘要】
一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料及其制备方法
本专利技术涉及化学电源锂离子电池
，更具体的说是涉及一种预锂化高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料及其制备方法。
技术介绍
电动汽车的迅猛发展对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求，但是目前商用的动力电池由于电极材料低的比容量，导致电池能量密度偏低，限制了电动汽车的续航里程。尤其是锂离子电池石墨负极，理论比容量仅为372mAh/g，极大地限制了电池的能量密度，因此亟需研发一种新兴的负极材料来提高电池的能量密度。硅负极材料因为高的理论比容量(4200mAh/g)，具备明显的优势，而且在地壳元素中储量丰富，成本低、环境友好，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料；但是与此同时其缺点也很突出，大的体积膨胀效应，差的导电性，充放电循环中易发生粉化限制了硅基材料的商业化应用。因此，解决硅基材料的缺点对新能源产业的发展具有重大的意义。石墨烯纳米带作为准一维带状石墨烯，不仅具有导电性好、比表面积大、纤薄等优良性能，而且由于其准一维的结构，因而具有很好的柔韧性以及水溶性，能够柔性相互缠绕成三维网络结构且形成自支撑多孔薄膜，从而更加有利于电子或离子的传输与存储。目前硅碳复合材料的制备方法通常是将单质硅、天然石墨或人造石墨和高分子聚合物等含碳前驱体经过多步高温炭化处理后制得。现有锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法，如申请号201911176477.4的“一种锂离子电池用高性能硅碳-石墨复合负极材料的制备方法”，公开的制备方法是：将有机碳源溶解于溶剂中，再加入纳米硅颗粒混合均匀，在上述混合物中加入鳞片石墨进行连续真空-高压浸渍反应、真空干燥后，得到硅碳复合材料前驱体；将硅碳复合材料前驱体进行球化，再经过表面固相包覆，最终经过烧结筛分制得目标产物。但是此技术路线存在的主要缺点是：①工艺复杂，设备繁多，实际操作困难，不利于规模化生产，多次高温烧结能耗大，部分有机溶剂对环境不友好；②复合材料的首次库伦效率较低；③复合材料的比容量相比石墨有所改善，但仍偏低；④碳材料和硅材料的结合力较差，在充放电循环过程中碳材料与硅基材料产生缝隙，致使容量快速衰减。因此，如何提供一种工艺简单、操作方面并且电化学性能优异的硅基/石墨烯纳米带复合材料及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有硅碳复合材料制备工艺复杂且成本高以及充放电性能不足的现象，提供一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料及其制备方法，具有工艺简单、操作方便、生产成本低、生产安全性好等优点，便于推广应用，有利于实现大规模化生产；另外采用本专利技术方法制备出的预锂化硅基/石墨烯纳米带复合材料具有比容量高，首次库伦效率高，循环寿命长，倍率性能高等特点，无需掺加粘结剂即可形成自支撑多孔薄膜，适用于高比能锂离子电池负极材料。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：硅基材料10-98％石墨烯纳米带1-89％锂元素1-10％其中，所述硅基材料为纳米硅或氧化亚硅或多孔硅，并且所述硅基材料的平均粒径为0.01-30，比表面积为5-500m2·g-1，孔容为0.01-5cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为5-50nm，长度为1-100μm，含碳量≥95％。硅基材料、石墨烯纳米带、锂元素的质量百分比对最终复合材料的性质都有重要的影响。硅基材料的平均粒径跨度从10nm到30μm，石墨烯纳米带为准一维带状结构石墨烯。当硅基材料为粒径较小的纳米硅时，质量百分比为1％的石墨烯纳米带即可较好的柔性静电粘附且交叉缠绕包裹纳米硅；硅基材料为粒径较大的多孔硅，石墨烯纳米带质量百分比较低时，准一维带状结构的石墨烯纳米带无法完全交叉缠绕包裹多孔硅，此时需要增加石墨烯纳米带的质量百分比以达到更好的包裹效果，在不掺加粘结剂的条件下，保证两者可形成柔性自支撑多孔薄膜。本专利技术中硅基材料为复合材料储锂容量的主要贡献者，为了最终实现复合材料高容量和高循环效率，同时保证石墨烯纳米带的柔性静电粘附且交叉缠绕包覆效果，经反复试验，确定硅基材料的质量百分比必需高于10％，石墨烯纳米带的质量百分比需低于89％，锂元素的质量百分比需保持在合理的区间，锂元素含量过低预锂化效果不佳，无法提高首次库伦效率；相反，锂元素含量过高会导致复合材料过度的预锂化，在充放电过程中会导致锂枝晶的析出，电池存在安全隐患。优选的，在上述一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料中，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：硅基材料87％石墨烯纳米带10％锂元素3％其中，所述硅基材料为纳米的硅粉，其平均粒径为10nm，比表面积为120m2·g-1，孔容为0.81cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为5nm，长度为10μm，含碳量为95％。优选的，在上述一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料中，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：硅基材料64％石墨烯纳米带30％锂元素6％其中，所述硅基材料为氧化亚硅，其平均粒径为30nm，比表面积为50m2·g-1，孔容为0.25cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为10nm，长度为30μm，含碳量为98％。优选的，在上述一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料中，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：硅基材料10％石墨烯纳米带86％锂元素4％其中，所述硅基材料为多孔硅，其平均粒径为30μm，比表面积为200m2·g-1，孔容为1.5cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为50nm，长度为60μm，含碳量为99％。优选的，在上述一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料中，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：硅基材料70％石墨烯纳米带25％锂元素5％其中，所述硅基材料为氧化亚硅，其平均粒径为10μm，比表面积为5m2·g-1，孔容为0.01cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为40nm，长度为100μm，含碳量为99.9％。优选的，在上述一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料中，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：硅基材料40％石墨烯纳米带58％锂元素2％其中，所述硅基材料为微米的硅粉，其平均粒径为5μm，比表面积为16m2·g-1，孔容为0.08cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为20nm，长度为5μm，含碳量为99.9％。优选的，在上述一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料中，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：硅基材料50％石墨烯纳米带44％锂元素6％其中，所述硅基材料为多孔硅，其平均粒径为50nm，比表面积为500m2·g-1，孔容为5cm3·g-1；所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：/n硅基材料 10-98％/n石墨烯纳米带 1-89％/n锂元素 1-10％/n其中，所述硅基材料为微纳米的硅粉或氧化亚硅或多孔硅，并且所述硅基材料的平均粒径为0.01-30μm，比表面积为5-500m
【技术特征摘要】
1.一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：
硅基材料10-98％
石墨烯纳米带1-89％
锂元素1-10％
其中，所述硅基材料为微纳米的硅粉或氧化亚硅或多孔硅，并且所述硅基材料的平均粒径为0.01-30μm，比表面积为5-500m2·g-1，孔容为0.01-5cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为5-50nm，长度为1-100μm，含碳量≥95％。
2.根据权利要求1所述的一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：
硅基材料87％
石墨烯纳米带10％
锂元素3％
其中，所述硅基材料为纳米的硅粉，其平均粒径为10nm，比表面积为120m2·g-1，孔容为0.81cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为5nm，长度为10μm，含碳量为95％。
3.根据权利要求1所述的一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：
硅基材料64％
石墨烯纳米带30％
锂元素6％
其中，所述硅基材料为氧化亚硅，其平均粒径为30nm，比表面积为50m2·g-1，孔容为0.25cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为10nm，长度为30μm，含碳量为98％。
4.根据权利要求1所述的一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：
硅基材料10％
石墨烯纳米带86％
锂元素4％
其中，所述硅基材料为多孔硅，其平均粒径为30μm，比表面积为200m2·g-1，孔容为1.5cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为50nm，长度为60μm，含碳量为99％。
5.根据权利要求1所述的一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：
硅基材料70％
石墨烯纳米带25％
锂元素5％
其中，所述硅基材料为氧化亚硅，其平均粒径为10μm，比表面积为5m2·g-1，孔容为0.01cm3·g-1；所述石墨烯纳米带的直径为40nm，长度为100μm，含碳量为99.9％。
6.根据权利要求1所述的一种高容量高循环效率的硅基/石墨烯纳米带复合材料，其特征在于，所述复合材料包括以下质量百分比的组分：
硅基材料40％...
【专利技术属性】
技术研发人员：李新禄，姚丛，王荣华，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50
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