一种类石墨烯包覆硅-碳纳米管复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种类石墨烯包覆硅

【技术实现步骤摘要】
一种类石墨烯包覆硅
‑
碳纳米管复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种类石墨烯包覆硅
‑
碳纳米管复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在诸多的新能源储存容器中，锂离子电池由于其能量密度高、倍率性能好及安全性能高等优势成为新能源领域的研究焦点，已经广泛应用于人们生活和生产的诸多方面。目前，商业化的锂离子电池所用的负极材料主要是石墨(理论比容量为372mAh/g)和钛酸锂(理论比容量为175mAh/g)这两种材料，但由于其较低的能量密度，已难以满足人们对高容量电池的需要。为了提高锂离子电池的能量密度，开发新型的高容量的电极材料成为人们的研究重点。
[0003]在所有的负极材料中，硅(Si)因具有高达4200mAh/g的理论比容量，是石墨比容量的近十倍，而且硅还具有较低的充放电平台、资源丰富、来源广泛和对环境友好等优势，成为最理想的新型负极材料。但硅作为锂离子电池负极材料，因其在充放电过程中巨大的体积膨胀、不稳定和过度生长的SEI膜以及硅材料本征的电子电导率和锂离子电导率较低等不容忽视的问题制约了硅材料的实际应用。
[0004]Li Xifei团队（Xiao W, Qiu Y, Xu Q, Wang J, Xie C, Peng J, Hu J, Zhang J, Li X. Building sandwich
‑
like carbon coated Si@CNTs composites as high
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performance anode materials for lithium
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ion batteries[J]. Electrochim. Acta, 2020, 364.）以硅酸四乙酯为硅源，通过将其水解为SiO2并封装在官能团化的CNTs中，经过镁热还原将SiO2还原为Si，最后再以酚醛树脂为碳源进行碳层包覆，成功制备了C@Si@CNTs复合材料，最优的C@Si@CNTS
‑
7.5复合材料在0.1A/g的电流密度下提供833mAh/g可逆容量，在0.5A/g的电流密度下经过800次循环后可逆容量为496mAh/g，容量保留76.8％。该复合材料表现出了优异的循环性能和倍率性能，这主要得益于CNTs的快速电子/离子迁移以及碳涂层的稳定作用，但上述材料仍存在着硅材料本征电子电导率和锂离子电导率低的缺点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种类石墨烯包覆硅
‑
碳纳米管复合材料及其制备方法和应用，能够解决硅材料本征电子电导率和锂离子电导率低的问题。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种类石墨烯包覆硅
‑
碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮和乙醇混合，进行分散，得到碳纳米管分散液；
[0009]将所述碳纳米管分散液、纳米硅乙醇悬浮液和聚丙烯腈低聚物混合，进行原位复合，得到聚丙烯腈低聚物包覆的硅复合碳纳米管前驱体材料；
[0010]将所述聚丙烯腈低聚物包覆的硅复合碳纳米管前驱体材料进行烧结，得到类石墨烯包覆硅
‑
碳纳米管复合材料；
[0011]所述聚丙烯腈低聚物的分子量为100~100000，形态为液态。
[0012]优选的，所述碳纳米管与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为3:1~10:1。
[0013]优选的，所述分散的时间为10~60min。
[0014]优选的，所述纳米硅乙醇悬浮液中纳米硅与碳纳米管的质量比为1:(0.3~0.7)；所述纳米硅乙醇悬浮液的固含量为8wt%。
[0015]优选的，所述碳纳米管与聚丙烯腈低聚物的质量比为0.5:(0.5~2.0)。
[0016]优选的，所述原位复合的温度为室温，时间为24h。
[0017]优选的，所述烧结的温度为800~1100℃，时间为3h。
[0018]本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的类石墨烯包覆硅
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碳纳米管复合材料，包括硅
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碳纳米管复合物以及包覆在所述硅
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碳纳米管复合物表面的类石墨烯。
[0019]本专利技术提供了上述技术方案所述类石墨烯包覆硅
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碳纳米管复合材料在锂离子电池中的应用。
[0020]本专利技术提供了一种类石墨烯包覆硅
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碳纳米管复合材料的制备方法，本专利技术采用液态聚丙烯腈低聚物(LPAN)原位包覆纳米硅(Si
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NPs)，通过烧结使LPAN碳化形成类石墨烯，PVP碳化形成无定型氮掺杂碳，这两种碳形成均匀的碳复合物将纳米硅包覆，同时类石墨烯及PVP衍生的无定型碳将碳纳米管互相黏连，形成三维网状结构，得到表面以类石墨烯均匀包覆的Si/CNTs@C复合材料。
[0021]本专利技术所制备的复合材料中，LPAN和氮掺杂碳包覆Si
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NPs形成核
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壳结构，同时与碳纳米管黏连形成三维网状结构，碳纳米管与原位形成的无定型氮掺杂碳发挥协同作用，高导电的碳纳米管缠绕硅纳米颗粒，能够有效增加颗粒之间的电接触点，极大增强电极材料的导电性，还能有效缓冲硅颗粒在充放电过程中的颗粒粉化，有效降低硅颗粒失活率，提高了电极材料的容量稳定性；LPAN碳化形成的碳包覆层能有效避免硅颗粒与电解液发生副反应，有利于SEI膜的稳定生成，防止SEI膜的过度生成，碳层还能进一步提高电极材料的整体导电性，极大地降低充放电过程中的极化作用，有效缓解电极材料容量的快速衰减，使得复合材料具有优异的循环稳定性和倍率性能。
[0022]本专利技术所制备的Si/CNTs@C复合材料表现出极高的首次充放电比容量为1709.5/2227.1mAh/g，首次库伦效率为76.76%，具有优异的循环稳定性(0.5A/g电流下循环600圈后810.9mAh/g)和倍率性能。在2A/g的大电流下循环700圈后仍表现出高达642.7mAh/g放电比容量，比容量保留率为62.4%。
附图说明
[0023]图1为实施例1~3制备的Si
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NPs、CNTs、不同Si
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NPs与CNTs比例复合的Si/CNTs复合材料的SEM图；(a
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b) Si
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NPs；(c
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d) CNTs；(e
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f) Si/CNTs
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30%；(g
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h) Si/CNTs
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50%；(i
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g) Si/CNTs
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70%；
[0024]图2为Si
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NPs、CNTs、LPAN
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900
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3h和不同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种类石墨烯包覆硅
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碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮和乙醇混合，进行分散，得到碳纳米管分散液；将所述碳纳米管分散液、纳米硅乙醇悬浮液和聚丙烯腈低聚物混合，进行原位复合，得到聚丙烯腈低聚物包覆的硅复合碳纳米管前驱体材料；将所述聚丙烯腈低聚物包覆的硅复合碳纳米管前驱体材料进行烧结，得到类石墨烯包覆硅
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碳纳米管复合材料；所述聚丙烯腈低聚物的分子量为100~100000，形态为液态。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为3:1~10:1。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散的时间为10~60min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米硅乙醇悬浮液中纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘剑洪，黎烈武，余文伟，张黔玲，
申请(专利权)人：深圳市本征方程石墨烯技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：