【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池，具体涉及一种石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料及其制备方法。
技术介绍
1、锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和良好的环境兼容性而广泛的应用于便携式电子设备、电动汽车和大型储能系统。为了进一步提高锂电池的性能，研究人员一直在探索性能更优良的新型负极材料。其中，硅因其具有比传统石墨负极高近10倍的理论容量(约4200mahg-1)、适合的电压平台和丰富的自然储量，成为非常有前景的锂离子电池负极材料。但是硅负极在嵌/脱锂过程会发生巨大的体积变化，这会导致电极结构破裂，从而使容量迅速下降，限制了其在商业电池的应用。
2、为了克服硅负极的缺点，研究人员探索硅与其他材料复合而形成的新型负极材料体系。石墨烯和碳纳米管因其优异的电导性、机械强度和化学稳定性被认为是理想的复合组元材料。它们的高电子电导率可以支持电子快速传导，它们的优异力学性能可以抑制因硅在充放电过程中巨大体积变化而产生的电极粉化、龟裂和失效。以硅作为活性物质，石墨烯和碳纳米管为导电网络和力学增强基体，可望制备出了性能优良的新型硅碳复合负极材料。
3、目前石墨烯/碳纳米管/硅负极材料常用的制备方法是，将由hummers方法制得的石墨烯、cvd催化法制得的碳纳米管与商业纳米硅在溶液中超声、搅拌混合，经过滤、洗涤和烘干处理得到石墨烯/碳纳米管/纳米硅复合负极材料。因此，这种制备硅碳复合负极材料的方法存在明显的缺点：1)难以实现石墨烯、碳纳米管和活性纳米硅三种组元的均匀复合，三相组元分离严重，结果导致石墨烯和碳纳米管未能发挥应
4、针对目前制备方法存在的不足之处，有必要提供一种石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料制备的新方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料及其制备方法，该制备方法可实现纳米硅颗粒表面原位生长出碳纳米管，并均匀负载在石墨烯片层上，同时在纳米硅表面包覆非晶碳层。这种石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料的制备方法不仅工艺简单，效率高，成本低廉，环境友好，容易实现规模化生产，而且制得的硅碳负极材料表现出优良的电化学性能。
2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术是通过以下技术方案实现：
3、本专利技术提供一种石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料的制备方法，该材料的原料包括硅源、石墨和沥青溶液，所述的硅源是块状金属硅，所述石墨是天然鳞片状石墨，所述沥青溶液为沥青粉末溶于ccl4的产物，固含量为20～40wt％；
4、所述材料的制备方法包括以下步骤：
5、1)将块状金属硅破碎，置于球磨罐中，用惰性气体冲洗球磨罐，将球磨罐置于绝热保温套中，并安置测温计以控制罐内温度，再将球磨罐固定在球磨机上球磨一段时间，制得表面含有铁硅合金的纳米硅团聚体，即纳米铁硅合金-硅团聚体；
6、2)将步骤1)得到的纳米铁硅合金-硅团聚体按照一定的质量比例与沥青溶液混合均匀，置于球磨罐中球磨一段时间；
7、3)在步骤2)的球磨罐中加入一定质量的石墨和ccl4，继续球磨一段时间；
8、4)将步骤3)中球磨产物真空干燥后，在惰性气氛中热处理一定时间，得到石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料。
9、进一步地，步骤1)中，球磨机转速为450～550rpm，球磨时间为18～24h，硅粉与磨球质量比为1:30～40。
10、进一步地，步骤1)中，球磨罐和磨球的材质为不锈钢材质，球磨罐罐体温度控制在150～200℃；
11、进一步地，步骤2)中，纳米铁硅合金-硅团聚体和沥青的质量比例为1:3.5～4.0。
12、进一步地，步骤2)中，球磨机转速为350～450rpm，球磨时间为4～6h，球磨罐内物料与磨球质量比为1:30～40。
13、进一步地，步骤3)中，纳米铁硅合金-硅团聚体与石墨的质量比为1:0.6～0.9，石墨与ccl4的质量比为1:1.2～2.0。
14、进一步地，步骤3)中，球磨机转速为350～450rpm，球磨时间4～6h。
15、进一步地，步骤4)中，热处理温度为900～1100℃，热处理时间为2～4h。
16、本专利技术还提供一种石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料，由上述的制备方法制备得到。
17、本专利技术的有益效果是：
18、1、本专利技术的制备技术可在纳米硅表面生成少量的α-fesi2合金，该合金作为催化剂，可将沥青分解的部分产物转化为碳纳米管，原位生长在纳米硅表面，因此确保碳纳米管与活性纳米硅的均匀复合；同时α-fesi2合金具有一定的容量(约100mahg-1)，还具有良好的导电性，有利于提高电极材料的倍率性能。本专利技术制得的硅碳负极材料均表现出优异的电化学性能。
19、2、与现有制备技术相比，本专利技术可克服石墨烯、碳纳米管和纳米硅三种组元容易彼此分离的现象，实现三种组元均匀复合；本专利技术制得的石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅负极材料具有电化学有利的微观结构，其中石墨烯、碳纳米管和非晶碳层构成三维导电网络，不仅提高复合材料的导电性能，而且可以作为结构增强材料，抑制充放电过程中电极材料的开裂、粉化，维持电极的完整性，提高电极材料的循环性能。
20、3、本专利技术以廉价的金属硅、鳞片石墨和沥青为主要原料，基于高效的机械球磨方法，因此克服了现有制备技术工艺复杂、成本较高、环境风险较大等问题。本专利技术制得的硅碳负极材料均表现出优异的电化学性能。
21、当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
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1.一种石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料的制备方法，其特征在于：该材料的原料包括硅源、石墨和沥青溶液，所述的硅源是块状金属硅，所述石墨是天然鳞片状石墨，所述沥青溶液为沥青粉末溶于CCl4的产物，固含量为20～40wt％；
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，球磨机转速为450～550rpm，球磨时间为18～24h，硅粉与磨球质量比为1:30～40。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，球磨罐和磨球的材质为不锈钢材质，球磨罐罐体温度控制在150～200℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，纳米铁硅合金-硅团聚体和沥青的质量比例为1:3.5～4.0。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，球磨机转速为350～450rpm，球磨时间为4～6h，球磨罐内物料与磨球质量比为1:30～40。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，纳米铁硅合金-硅团聚体与石墨的质量比为1:0.6～0.9，石墨与CCl4的质量比为1:
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，球磨机转速为350～450rpm，球磨时间4～6h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，热处理温度为900～1100℃，热处理时间为2～4h。
9.一种石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料，由权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到。
...【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/碳纳米管/铁硅合金-硅复合负极材料的制备方法，其特征在于：该材料的原料包括硅源、石墨和沥青溶液，所述的硅源是块状金属硅，所述石墨是天然鳞片状石墨，所述沥青溶液为沥青粉末溶于ccl4的产物，固含量为20～40wt％；
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，球磨机转速为450～550rpm，球磨时间为18～24h，硅粉与磨球质量比为1:30～40。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，球磨罐和磨球的材质为不锈钢材质，球磨罐罐体温度控制在150～200℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，纳米铁硅合金-硅团聚体和沥青的质量比例为1:3.5～4.0。
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【专利技术属性】
技术研发人员：方道来，杨明明，王孜强，徐启宇，郑翠红，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：
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