一种三维石墨烯/SiO复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种三维石墨烯/SiO复合材料及其制备方法与应用，该制备方法包括以下步骤：将三维氧化石墨烯、水、硫化钾和高铁酸钾混合、搅拌、静置、水洗和干燥制得还原三维石墨烯，再与SiO混合、干燥和激光处理得三维石墨烯/SiO复合材料。本发明专利技术通过多步水热

【技术实现步骤摘要】
一种三维石墨烯/SiO复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池负极材料
，具体是一种三维石墨烯/SiO复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]开发低成本、长循环、高能量密度的储能器件，以充分利用绿色能源是解决当前环境和资源问题的关键。锂离子电池具有能量密度高、寿命长、环境友好等优势，广泛应用于便携式电子产品、动力汽车、大型储能装置等。在一定范围内，锂离子电池电极的负载量越高，面容量越高，更易于构建高能量密度储能器件。传统的商用化锂离子电池以石墨为负极材料负载量可以达到10mg
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cm
‑2，但其理论比容量仅为372mAh
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g
‑1，导致目前商业化的锂离子电池越来越难以满足高能量密度储能器件的要求。因此，发展高负载量下性能优异的锂离子电池负极材料是实现高性能储能设备的当务之急。
[0003]高理论容量的合金型负极材料如Si(3579mAh
·
g
‑1)、Sn(990mAh
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‑1)、P(2596mAh
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‑1)和Ge(1600mAh
·
g
‑1)均被认为是非常有前景的下一代锂电池的负极材料。其中硅负极材料最具吸引力，其理论容量约为石墨负极(372mAh
·
g
‑1)的10倍，在高能量密度锂电池领域有很大的应用前景。然而，硅负极材料体积膨胀巨大导致容量迅速下降、循环性能不佳。与硅相比，高理论容量的一氧化硅(SiO，2680mAh
·
g
‑1，假设所有Si在锂化过程中都可以转化为Li
4.4
Si)体积变化更小(Si>400％，SiO大约为220％)，成本更低。此外，在充放电过程中生成的锂硅酸盐(如Li2Si2O5)和Li2O有利于Li
+
在Li
x
Si合金之间的迁移，使SiO表现出优异的倍率性能和循环稳定性。因此，合金型SiO被认为是未来商业锂离子电池更理想的负极。但是，库伦效率不高、循环稳定性不佳严重阻碍了SiO的大规模商业化应用。其关键科学问题在于SiO基负极较大的体积膨胀和固有不良的电子或离子导电性。
[0004]因此，本专利技术提供了一种三维石墨烯/SiO复合材料，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种三维石墨烯/SiO复合材料，以解决上述
技术介绍
中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
[0006]本专利技术还提供了上述制备方法制得的三维石墨烯/SiO复合材料。
[0007]本专利技术还提供了上述三维石墨烯/SiO复合材料的应用。
[0008]具体如下，本专利技术第一方面提供一种三维石墨烯/SiO复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、制备三维氧化石墨烯：将石墨、水、浓硫酸和钒酸钠混合，再依次进行水热、超声和除杂后得混合分散液，最后干燥，得到三维氧化石墨烯；
[0010]S2、制备三维石墨烯/SiO复合材料：
[0011]S21、将所述三维氧化石墨烯、水、硫化钾和高铁酸钾混合，得还原三维石墨烯分散
液，再进行搅拌、超声、静置和干燥得还原三维石墨烯；
[0012]S22、将所述还原三维石墨烯、SiO粉和水混合，再进行超声和干燥，得混合材料；
[0013]S23、将所述混合材料激光处理，得三维石墨烯/SiO复合材料。
[0014]根据本专利技术高粘结相硬质合金技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
[0015]本专利技术拟通过多步水热
‑
激光刻蚀的联合方法使结合元素掺杂合成锂离子电池负极，得到三维石墨烯/SiO负极材料。
[0016]制备三维石墨烯时无需使用交联剂，有过渡金属氧化剂被石墨烯还原后即得到交联剂。交联剂则能够增强石墨烯片层间的π
‑
π相互作用进而有利于形成稳定的三维结构。
[0017]本专利技术采用钒酸钠作为氧化剂，可以避免对石墨烯结构的过度破坏，其氧化后电导率明显高于一般的氧化石墨烯，在其还原后，由于结构缺陷较少，加之具有三维性、分散受力，其机械强度明显提升。
[0018]本专利技术采用激光处理，可使三维石墨烯/SiO负极材料具有大量激光刻蚀孔，能够更容易被电解液浸润，降低电阻率，提升循环寿命。
[0019]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述S21中干燥为冷冻干燥。
[0020]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述石墨的中位粒径为4μm～8μm。
[0021]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述石墨的中位粒径为5μm～7μm。
[0022]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述石墨与钒酸钠质量比为1：1～6。
[0023]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述石墨与浓硫酸的质量比为1:1～3。
[0024]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述S1中石墨与水的质量比为1:20～30。
[0025]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述S21中三维氧化石墨烯与水的质量比为1:80～120。
[0026]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述S22中还原三维石墨烯与水的质量比为1：30～40。
[0027]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述水热的温度为100℃～160℃；
[0028]所述水热的时间为2h～6h。
[0029]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述水热的温度为110℃～160℃。
[0030]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述水热的时间为3h～6h。
[0031]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述混合分散液的氧化还原电位值在150mV以下。
[0032]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述步骤S21中所述三维氧化石墨、硫化钾和高铁酸钾的质量比为1:3～9:1～8。
[0033]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述还原三维石墨烯和SiO粉的质量比为1:2～5。
[0034]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述激光处理的输出脉冲宽度为500fs～600fs；
[0035]所述激光处理的脉冲频率为0.9kHz～1.1kHz；
[0036]所述激光处理的光斑直径为0.9μm～1.1μm；
[0037]所述激光处理的扫描速度为0.8mm/s～2.2mm/s。
[0038]本专利技术第二方面提供上述制备方法得到的三维石墨烯/SiO复合材料。
[0039]本专利技术第三方面提供一种三维石墨烯/SiO复合材料在制作电极材料中的应用。
[0040]在本专利技术的一些具体实施方案中，所述三维石墨烯/SiO复合材料制作电池的步骤为：
[0041]第一步、将所述三维石墨烯/SiO复合材料、乙炔黑和乙醇混合，得到三维石墨烯/SiO负极材料；
[0042]第二步、将所述负极材料切片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维石墨烯/SiO复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、制备三维氧化石墨烯：将石墨、水、浓硫酸和钒酸钠混合，再依次进行水热、超声和除杂后得混合分散液，最后干燥，得到三维氧化石墨烯；S2、制备三维石墨烯/SiO复合材料：S21、将所述三维氧化石墨烯、水、硫化钾和高铁酸钾混合，得还原三维石墨烯分散液，再进行搅拌、超声、静置和干燥得还原三维石墨烯；S22、将所述还原三维石墨烯、SiO粉和水混合，再进行超声和干燥，得混合材料；S23、将所述混合材料激光处理，得三维石墨烯/SiO复合材料。2.根据权利要求1所述三维石墨烯/SiO复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨的中位粒径为4μm～8μm。3.根据权利要求1所述三维石墨烯/SiO复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨与钒酸钠质量比为1：1～6。4.根据权利要求1所述三维石墨烯/SiO复合材料的制备方法，其特征在于，所述水热的温度为100℃～160℃；所述水热的时间为2h～6...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建，张秋生，马灿，李莹，李镓睿，
申请(专利权)人：湖南大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：