一种硅-石墨烯增强型复合气凝胶及其制备方法、电极及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种硅

【技术实现步骤摘要】
一种硅
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石墨烯增强型复合气凝胶及其制备方法、电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于新能源材料领域，具体涉及一种硅
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石墨烯增强型复合气凝胶及其制备方法、电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池因其能量密度高、开路电压高、循环寿命长、无记忆效应等优势，已被广泛应用在便携式电子设备、电动汽车和电网储能等领域。然而，目前商业化的锂离子电池主要采用石墨等碳系负极材料，其理论比容量低(372mAh/g)，并且其嵌锂电位平台接近金属锂，快速充电易发生“析锂”导致安全隐患，无法满足未来锂离子电池对高能量密度的需求。
[0003]硅是目前发现的比容量最高的锂电负极材料，其理论比容量高达4200mAh/g，但是其最致命的缺陷就是反应中体积膨胀变化达到320％，硅与电解液反应会生长SEI膜且消耗锂离子，而且硅的导电性也很差，这些因素严重制约了硅作为负极材料的应用。要解决上述两个问题，必须采取与导电材料复合的方式。
[0004]近年来，石墨烯和硅复合作为锂离子电池负极材料的报道屡见不鲜。但是当前的已有石墨烯/硅负极材料生产方法，只是采用在硅颗粒表面包覆石墨烯的方式，部分解决了硅电极的膨胀问题和导电性差的问题。对于硅电极的粉化和SEI膜的不断生长并没有得到很好的解决。而且，由于石墨烯和硅的稳定性都很好、熔点都很高，很难结合在一起，构建的三维石墨烯网格并不牢固，随着硅电极的膨胀和收缩，石墨烯网络也会塌陷，导致性能大幅下降。因此，开发一种高机械强度与长循环寿命的硅
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石墨烯复合负极材料是锂离子电池领域的技术难题。
[0005]为了解决上述问题，本专利技术通过将硅纳米材料嵌入到石墨烯气凝胶中，当控制硅和石墨烯的复合条件和配比，能够达到石墨烯气凝胶作为较佳的导电骨架支撑材料，开发出长寿命、高比容量的硅
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石墨烯增强型复合气凝胶负极。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术存在的不足与缺点，本专利技术的目的在于提供一种硅
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石墨烯增强型复合气凝胶及其制备方法、无集流体电极及其制备方法，以解决现有锂离子电池硅碳负极寿命短的问题。
[0007]本专利技术的第一方面，提供了一种硅
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石墨烯增强型复合气凝胶，硅
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石墨烯增强型复合气凝胶至少包括碳元素和硅元素；
[0008]碳元素主要以硅
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石墨烯增强型复合气凝胶的形式存在；
[0009]以硅
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石墨烯增强型复合气凝胶形式存在的碳元素占硅
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石墨烯增强型复合气凝胶的碳元素总质量的96％以上；
[0010]硅元素以硅纳米颗粒的形式存在，硅元素至少部分地以被包裹在石墨烯、导电聚
合物和导锂聚合物气凝胶网络中的形式存在，且被包裹的硅元素占硅元素总质量的96％以上；
[0011]硅元素与碳元素的质量比在2:1
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1:2。
[0012]本专利技术的第二方面，提供了一种硅
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石墨烯增强型复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1.将混合均匀的氧化石墨烯溶液、硅纳米材料分散液和水溶性还原剂的分散液C与导锂聚合物、增强剂混合均匀加入到密闭反应器中；
[0014]S2.加热密闭反应器，进行氧化石墨烯的还原和自组装，得到硅
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石墨烯增强型复合水凝胶；
[0015]S3.将的硅
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石墨烯增强型复合水凝胶进行低温冷冻处理，然后用冷冻干燥机干燥即得硅
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石墨烯增强型复合气凝胶。
[0016]进一步地，水溶性还原剂为抗坏血酸、抗坏血酸钠、柠檬酸钠、氢碘酸、氢溴酸、亚硫酸氢钠、硫化钠和乙二胺中的一种或多种。
[0017]进一步地，导锂聚合物为聚羧甲基纤维素锂(CMC
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Li)、聚丙烯酸锂(PAA
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Li)、海藻酸锂(SA
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Li)、有机聚合物基体与锂盐的复合物、聚乙烯醇锂(PVA
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Li)、聚酰亚胺锂(PI
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Li)、聚甲基丙烯酸甲酯锂(PMMA
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Li)中的至少一种；增强剂为碳纤维。
[0018]进一步地，步骤S1还包括先将采用Hummers法制备的氧化石墨浆料与溶剂a混合，超声分散后得到分散液A；再将硅纳米材料与防团聚材料一并与溶剂b混合，得到分散液B；再将分散液A、分散液B与水溶性还原剂混合后磁力搅拌均匀后得到分散液C。
[0019]进一步地，步骤S2中加热的温度为60～96℃；
[0020]进一步地，步骤S3中冷冻干燥的温度为
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80～
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60℃；
[0021]进一步地，硅纳米颗粒的粒度范围为10
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100nm。
[0022]本专利技术的第三方面，提供了一种电极，其包括前述的的硅
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石墨烯增强型复合气凝胶；
[0023]进一步地，电极中进一步包括导电剂和粘结剂，且硅
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石墨烯增强型复合气凝胶:粘结剂的质量比为a:b，其中90≤a≤95，5≤b≤10，a+b＝100。
[0024]本专利技术的第四方面，提供了一种电极制备方法，其包括以下步骤：
[0025]S4.将步骤S3制备所得的硅
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石墨烯增强型复合气凝胶研磨成硅
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石墨烯增强型复合气凝胶粉末，并按硅
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石墨烯增强型复合气凝胶粉末:粘结剂的质量比为a:b的比例称取两者，其中90≤a≤95，5≤b≤10，a+b＝100；
[0026]S5.将硅
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石墨烯增强型复合气凝胶粉末、粘结剂与溶剂混合均匀，配制成浆料，将浆料涂布在连续的离型纸上，之后干燥和收卷，得到负极卷；
[0027]S6.按照需求尺寸分切负极卷；
[0028]S7.包装，抽检，出货。
[0029]进一步地，步骤S5中的混合方式为升高温度后磁力搅拌，温度范围为：38～46℃，磁力搅拌的速度为：80～200rpm，搅拌时间为：20～80min。
[0030]有益的技术效果
[0031]1、本专利技术通过在硅纳米材料分散阶段添加防团聚材料，使得硅纳米材料分散均匀且团聚率低，与氧化石墨烯和导锂聚合物混合后自组装形成水凝胶时，硅纳米材料基本上
都分散在石墨烯和导锂聚合物水凝胶形成的框架中，冻干后硅纳米材料溢出石墨烯和导锂聚合物气凝胶框架结构的比例也极低，这样能够保证硅元素与碳元素的质量比在1:2
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2:1的范围内，即大量的硅纳米材料分散在气凝胶形成的框架结构中，这一方面利用了硅的高理论比容量，另一方面利用石墨烯、导电聚合物和导锂聚合物气凝胶框架结构防止了硅在循环过程中的体积变化，防止负极材料失效。
[0032]2、本专利技术通过将硅
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅
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石墨烯增强型复合气凝胶，所述硅
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石墨烯增强型复合气凝胶至少包括碳元素和硅元素；其特征在于，所述碳元素主要以硅
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石墨烯增强型复合气凝胶的形式存在；以所述硅
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石墨烯增强型复合气凝胶形式存在的所述碳元素占硅
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石墨烯增强型复合气凝胶的碳元素总质量的96％以上；所述硅元素以硅纳米颗粒的形式存在，所述硅元素至少部分地以被包裹在所述石墨烯、导电聚合物和导锂聚合物气凝胶网络中的形式存在，且所述被包裹的硅元素占硅元素总质量的96％以上；所述硅元素与碳元素的质量比在2:1
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1:2。2.一种硅
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石墨烯增强型复合气凝胶的制备方法，其用于制备权利要求1所述的硅
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石墨烯增强型复合气凝胶；其特征在于，包括以下步骤：S1.将混合均匀的氧化石墨烯溶液、硅纳米材料分散液和水溶性还原剂的分散液C与导锂聚合物、增强剂混合均匀加入到密闭反应器中；S2.加热所述密闭反应器，进行氧化石墨烯的还原和自组装，得到硅
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石墨烯增强型复合水凝胶；S3.将所述的硅
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石墨烯增强型复合水凝胶进行低温冷冻处理，然后用冷冻干燥机干燥即得硅
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石墨烯增强型复合气凝胶。3.根据权利要求2所述的硅
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石墨烯增强型复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述的水溶性还原剂为抗坏血酸、抗坏血酸钠、柠檬酸钠、氢碘酸、氢溴酸、亚硫酸氢钠、硫化钠和乙二胺中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的硅
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石墨烯增强型复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述导锂聚合物为聚羧甲基纤维素锂(CMC
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Li)、聚丙烯酸锂(PAA
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Li)、海藻酸锂(SA
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Li)、有机聚合物基体与锂盐的复合物、聚乙烯醇锂(PVA
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Li)、聚酰亚胺锂(PI
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Li)、聚甲基丙烯酸甲酯锂(PMMA
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Li)中的至少一种；所述增强剂为碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，刘静，陈鹏，
申请(专利权)人：东莞澳中新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：