硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料、锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料、锂离子电池，制备方法包括以下步骤：将氧化石墨烯、硅用溶剂分散，得到浆料；将浆料涂覆于基底上进行一次干燥，得到硅/氧化石墨烯膜；将硅/氧化石墨烯膜与水合肼进行还原反应，生成气体，然后进行二次干燥，使硅/氧化石墨烯膜产生孔道，得到第一中间体；将第一中间体在保护气氛下进行热还原，使得氧化石墨烯还原成还原氧化石墨烯，得到硅碳复合材料。硅碳复合材料具有孔道，且硅内嵌于还原氧化石墨烯片层间，能够有效缓解硅在充放电过程中的体积变化，并且为电解液提供了高效的传输通道，提升锂离子传输速率，从而保证负极的循环性能和倍率性能。环性能和倍率性能。环性能和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料、锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，更具体地，涉及一种硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料、锂离子电池。

技术介绍

[0002]硅具有较高的理论比容量和较低的脱锂电位，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时不容易发生表面析锂行为，安全性能更好，因此在高容量动力电池领域有着较强的应用潜力。但是，由于锂离子在充放电过程中的嵌入和脱出会使硅体积发生反复的膨胀和收缩，导致材料粉化，最终导致电极活性物质与集流体脱离，导致电池结构稳定性和循环表现较差。此外，硅自身的电子导电能力较差，导致其动力学表现不佳。上述问题严重限制了硅基材料的商业化应用推广。
[0003]石墨烯作为一种高导电性、高比表面积、具有突出机械性能的柔性新型碳材料，采用石墨烯包覆硅形成的复合材料，能够有效抑制硅的体积效应，提高循环稳定性，并改善复合材料的电子导电能力，提高材料的动力学表现。
[0004]然而，由于石墨烯的紧密包裹缺乏高效的电解液扩散通道，不利于电解液与硅的接触，使得锂离子在电极内传输受阻，进而使得硅碳负极的倍率性能不佳。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种能够有效缓解硅在充放电过程中的体积变化，并且为电解液提供了高效的传输通道，提升锂离子传输速率，从而保证负极的循环性能和倍率性能的硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料、锂离子电池。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将氧化石墨烯、硅用溶剂分散，得到浆料；
[0009]将所述浆料涂覆于基底上进行一次干燥，得到硅/氧化石墨烯膜；
[0010]将所述硅/氧化石墨烯膜与水合肼进行还原反应，生成气体，然后进行二次干燥，使硅/氧化石墨烯膜产生孔道，得到第一中间体；
[0011]将所述第一中间体在保护气氛下进行热还原，使得氧化石墨烯还原成还原氧化石墨烯，得到所述硅碳复合材料。
[0012]本专利技术还提供了一种如上述的制备方法制备得到的硅碳复合材料。
[0013]本专利技术还提供了一种锂离子电池，包括负极，所述负极包括如上述的制备方法得到的硅碳复合材料或如上述的硅碳复合材料。
[0014]实施本专利技术实施例，将具有如下有益效果：
[0015]本专利技术实施例通过涂覆干燥形成硅/氧化石墨烯膜，使硅内嵌于氧化石墨烯片层间，可有效缓解硅在充放电过程中的体积变化，从而提高负极的循环性能。利用水合肼对氧化石墨烯进行发泡，所产生的气体在硅/氧化石墨烯膜中生成气泡，随着水分的蒸发产生毛
细作用力，驱使气泡在膜中聚集占据较大的空间，从而在膜的片层表面产生孔道，为电解液提供了高效的传输通道，显著地提升了硅碳负极中锂离子传输速率，使硅能更充分地参加电极反应，提升了负极的倍率性能。通过化学与物理双重还原去除氧化石墨烯表面的环氧、羰基和羧基等含氧基团，从而使硅碳复合材料的导电性增强。并且由于层状结构的还原氧化石墨烯对硅的包覆，提高硅碳复合材料中硅与还原氧化石墨烯之间的接触界面面积，有利于还原氧化石墨烯发挥高导电、强韧性的优势。本专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法成本低廉、工艺简单且能耗低，适于规模化生产，工业应用前景好。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]其中：
[0018]图1是本专利技术实施例1所制备的硅碳复合材料的断面SEM图。
[0019]图2是本专利技术实施例1所制备的硅碳复合材料的放大断面SEM图。
[0020]图3是本专利技术实施例1所制备的硅碳复合材料的表面SEM图。
[0021]图4是本专利技术实施例1和对比例1
‑
2所制备的材料的充放电循环性能对比图。
具体实施方式
[0022]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。
[0023]本专利技术公开了一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0024]1)将氧化石墨烯、硅用溶剂分散，得到浆料。
[0025]具体的，将硅和氧化石墨烯在溶剂中混合使氧化石墨烯的片层间内嵌有硅，可有效缓解硅在充放电过程中的体积变化，从而提高负极的循环性能。
[0026]在一具体实施例中，为了确保硅能够顺利嵌入氧化石墨烯的片层间，同时预留足够的空间以缓解硅在充放电过程中的体积变化，硅的平均粒径为2nm～10μm。
[0027]在一具体实施例中，硅的平均粒径包括但不限于2nm、50nm、100nm、1μm、5μm和10μm等。
[0028]在一具体实施例中，步骤1)具体包括以下步骤：
[0029]1.1)将氧化石墨烯加入溶剂中进行超声分散，得到氧化石墨烯分散液。
[0030]在一具体实施例中，在氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯的质量浓度为4mg/mL～20mg/mL。
[0031]在一具体实施例中，氧化石墨烯的质量浓度包括但不限于4mg/mL、5mg/mL、6mg/mL、10mg/mL、15mg/mL和20mg/mL等。
[0032]在一具体实施例中，超声的时间为10min～60min。
[0033]在一具体实施例中，溶剂包括水、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、异丙醇和乙醇中的一种或两种以上。
[0034]1.2)将硅加入到氧化石墨烯分散液中进行搅拌，得到浆料。
[0035]在一具体实施例中，硅与氧化石墨烯的质量比为(1～99):(99～1)。
[0036]具体的，硅可以提升负极材料的比容量，但硅的含量过低会导致高活性组分比例下降，从而影响硅碳复合材料的充放电性能，而硅的含量过高则导致氧化石墨烯的结构支撑保护作用下降，从而影响硅碳复合材料的结构稳定性。且浆料中固体含量可能影响后续步骤中的涂膜质量，进而影响硅碳复合材料的电化学性能。
[0037]在一具体实施例中，搅拌的温度为25℃～40℃，搅拌的时间为2h～5h。
[0038]在一具体实施例中，硅包括结晶型硅和/或非晶型硅。
[0039]在一具体实施例中，硅的形态包括硅颗粒、硅线和硅管中的一种或两种以上。
[0040]2)将浆料涂覆于基底上进行一次干燥，得到硅/氧化石墨烯膜。
[0041]具体的，通过涂覆干燥所制得的硅/氧化石墨烯膜是由氧化石墨烯片层互相紧密排列形成的，且硅嵌入在氧化石墨烯片层间，具有较高的机械强度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将氧化石墨烯、硅用溶剂分散，得到浆料；将所述浆料涂覆于基底上进行一次干燥，得到硅/氧化石墨烯膜；将所述硅/氧化石墨烯膜与水合肼进行还原反应，生成气体，然后进行二次干燥，使硅/氧化石墨烯膜产生孔道，得到第一中间体；将所述第一中间体在保护气氛下进行热还原，使得氧化石墨烯还原成还原氧化石墨烯，得到所述硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，以所述硅碳复合材料的质量为100％计，所述硅的质量百分比为1％～99％。3.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅与所述氧化石墨烯的质量比为(1～99):(99～1)。4.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述水合肼的浓度为10wt％～60wt％。5.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅碳复合材料的比表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦曦，周敏，
申请(专利权)人：陕西埃普诺新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：