一种硅基/石墨烯复合材料的制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池新材料技术领域，尤其涉及一种硅基/石墨烯复合材料的制备方法,包括以下步骤：以含硅基/石墨复合材料的极片作为工作电极、含锂源材料的极片作为对电极，与含碳酸丙烯酯和锂盐的电解液和隔膜组装成电池；对电池进行充放电，使锂离子和碳酸丙烯酯在电场作用下共嵌入石墨层间，使得石墨层产生剥离；拆掉电池，将嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体放入碳酸二甲酯溶液中浸泡，并抽真空干燥；然后放入稀盐酸中超声清洗脱锂，并抽真空过滤，干燥，并在惰性气体氛围灼烧。相对于现有技术，本发明专利技术工序简单可控、成本低、安全环保，不会造成环境健康安全风险，在该复合材料的制备过程中还能收集大量的氢气，具有显著的经济效益。?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂离子电池新材料
，尤其涉及。
技术介绍
随着消费类电子产品功能的多样化，锂离子电池作为电子产品的供给能源，其容量及使用寿命开始受到人们的高度关注。但往往电子产品设计时留给锂离子电池的空间有限，提高电池容量，更准确的说是提高电池的能量密度，是锂离子电池厂商提高竞争力的关键手段。要提高电池的能量密度，可以从提高正极材料的克容量或负极材料的克容量出发，但是正极材料的克容量提高有限，而负极材料的克容量提升还有很大空间。对于负极材料来说，目前广泛使用的是天然石墨、人造石墨、中间相碳微球及它们的混合物。众所周知，石墨的理论克容量是372 mAh/g,已无法满足目前高端电子产品的能量密度要求。因此科研工作者对高能量密度的负极材料做了广泛而深入的研究，其中最有希望的就是硅基材料。硅的理论克容量是4200 mAh/g，远高于石墨的理论克容量372 mAh/g。但硅也有较大的缺点，那就是，硅嵌锂后的体积膨胀能达到300%- 400%,因此硅基材料往往与碳材料进行复合，以降低充放电过程中的膨胀。在碳材料中，石墨烯拥有优异的机械强度，与硅基材料复合能很好的抑制其体积的变化；石墨烯同时具备超高的导电能力，可以改善硅基材料导电性能较差的问题，有利于提高硅基材料的电化学性能；具有优异导热性能的石墨烯，与硅基材料混合使用还能提高娃基材料的安全性能。申请号为201110247595.7的中国专利申请中介绍了一种锂离子电池硅/石墨烯复合负极材料的制备方法:石墨烯构成内部空腔并将硅粉包裹在其内部空腔内，得到球形或类球形复合颗粒，但是采用喷雾干燥方法制得这种结构材料的可行性不高。同时该制备方法中使用的原料为硅粉及石墨烯，成本较高。申请号为201010561749.5的中国专利申请中介绍了一种锂离子电池负极用的硅/石墨烯复合材料及其制备方法。该复合材料在每层石墨烯上分散有硅纳米粒子，但该方法需要采用众多试剂，同时采用了氧化石墨的原料,成本高且工序复杂。申请号为201110446233.0的中国专利申请中介绍了一种锂离子电池负极用硅/石墨烯纳米复合材料的制备方法，其通过二氧化硅/石墨烯复合材料经镁热还原法制得。这种方法要先用浓硫酸等制备氧化石墨，其次采用镁热还原，成本高，工序复杂。申请号为201110421436.4的中国专利申请中介绍了一种硅/石墨烯复合材料及其制备方法与应用，其仍然是采用了硅源和氧化石墨，并且采用强酸和强碱刻蚀，污染环境，成本高。综上所述，以上专利申请无一例外均采用硅源与氧化石墨进行物理混合，然后经过还原处理得到硅和石墨烯的复合材料，这种方法无疑有较多缺点。首先，物理混合导致硅基材料在石墨烯中分散不均匀，不利于复合材料性能的发挥；其次上述专利申请都是以氧化石墨为原料，而氧化石墨的制备要使用到强酸及强氧化物，从而导致工艺的不可控和潜在的环境健康安全风险。有鉴于此，确有必要提供一种工序简单、成本低廉和安全环保的硅基/石墨烯复合材料的制备方法，该方法将硅基/石墨复合材料制成负极片并组装成电池，直接在电场作用下使得碳酸丙烯酯(PC)嵌入石墨层间，使得石墨层层剥离，得到高容量的硅基/石墨烯复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于:针对现有技术的不足，而提供一种工序简单、成本低廉和安全环保的硅基/石墨烯复合材料的制备方法，该方法将硅基/石墨复合材料制成负极片并组装成电池，直接在电场作用下使得碳酸丙烯酯(PC)嵌入石墨层间，使得石墨层层剥离，得到闻容量的娃基/石墨稀复合材料，以克服现有技术中制备娃基/石墨稀复合材料的方法工序复杂、成本较高和潜在的环境健康安全风险的不足。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案:，包括以下步骤: 步骤一，以含硅基/石墨复合材料的极片作为工作电极、含锂源材料的极片作为对电极，与含碳酸丙烯酯(PC)和锂盐的电解液和隔膜组装成扣式电池、叠片电池、软包装电池、圆柱电池和方形电池中的任意一种。步骤二，将组装好的电池进行充放电，使锂离子和碳酸丙烯酯(PC)在电场作用下共嵌入石墨层间，使得石墨层产生剥离，得到嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体。步骤三，拆掉电池，将嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体放入碳酸二甲酯(DMC)溶液中浸泡，去除电解液等杂质，并抽真空干燥。步骤四，将步骤三中真空干燥后的嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体放入稀盐酸中超声清洗脱锂，并抽真空过滤，然后干燥，得到脱锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体；同时可以收集清洗过程中产生的大量氢气。步骤五，将步骤四得到的硅基/石墨烯复合材料前驱体在700-1000°C的惰性气体氛围灼烧，除去剩余的电解液及碳酸锂(Li2CO3)等杂质，即得到硅基/石墨烯复合材料。进一步的，步骤一中的工作电极还可以包括导电剂、粘结剂和增稠剂，导电剂可以是乙炔黑，也可以是导电石墨；粘接剂可以是水系丁苯橡胶(SBR)，也可以是油系聚偏氟乙烯(PVDF);增稠剂选用羧甲基纤维素钠(CMC)，分子量可调。灼烧过程中，可以将粘接剂和增稠剂等去除。步骤一中的对电极还可以包括导电剂乙炔黑和粘接剂聚偏氟乙烯(PVDF)。步骤一中的隔膜可以是聚乙烯，聚丙烯，也可以是聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯材质。扣式电池可在手套箱中完成组装，叠片电池、软包装电池、圆柱电池和方形电池可在干燥房中完成组装。拆解电池需要在干燥房中进行，以防止水分引起的极片燃烧等危险。作为本专利技术硅基/石墨烯复合材料的制备方法的一种改进，所述硅基/石墨复合材料包括娃基材料和石墨，并且所述娃基材料均勾地粘附于所述石墨的表面。作为本专利技术硅基/石墨烯复合材料的制备方法的一种改进，所述硅基材料为硅、一氧化硅和二氧化硅中的至少一种，所述石墨为天然石墨、人造石墨和中间相碳微球中的至少一种。作为本专利技术硅基/石墨烯复合材料的制备方法的一种改进，所述锂源材料为金属锂、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂，镍钴锰酸锂和磷酸铁锂中的至少一种。作为本专利技术硅基/石墨烯复合材料的制备方法的一种改进，所述碳酸丙烯酯占所述电解液的质量百分比为1-99.9wt%。碳酸丙烯酯容易同锂一起向石墨电极发生共嵌现象，从而使得石墨层剥离，得到具有优异的机械强度、超高的导电能力和优异的导热性能的石墨稀。作为本专利技术硅基/石墨烯复合材料的制备方法的一种改进，所述电解液还包括碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)中的至少一种。作为本专利技术硅基/石墨烯复合材料的制备方法的一种改进，步骤二中对电池进行充放电的充放电电流为0.1-1.7A，充放电电流太小，石墨层剥离的速度太慢，不利于生产效率的提高；而若充放电电流太大，又会对石墨材料造成不必要的破坏，即使得石墨层间距过大，容易塌陷。作为本专利技术硅基/石墨烯复合材料的制备方法的一种改进，步骤三中的浸泡持续时间为0.5-10h，抽真空干燥的持续时间为0.5-10h。这一步骤是利用了相似相容原理，使得电解液中的有机溶剂迁移至碳酸二甲酯(DMC)溶液中，从而去除极片上的电解液，浸泡时间不能太短，否则浸泡不充分，会有较多的电解液的有机溶剂残留在极片中；浸泡时间也不宜过长，否则不仅不利于生产效率的提高，还可能对复合材料的结构造成不利的影响。同理，干燥时间也不宜过短，否则干燥不充分，不利于DMC的彻底清除；且干燥时间也不宜过长，否则不利于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，以含硅基/石墨复合材料的极片作为工作电极、含锂源材料的极片作为对电极，与含碳酸丙烯酯和锂盐的电解液和隔膜组装成扣式电池、叠片电池、软包装电池、圆柱电池和方形电池中的任意一种；步骤二，将组装好的电池进行充放电，使锂离子和碳酸丙烯酯在电场作用下共嵌入石墨层间，使得石墨层产生剥离，得到嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体；步骤三，拆掉电池，将嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体放入碳酸二甲酯溶液中浸泡，并抽真空干燥；步骤四，将步骤三中真空干燥后的嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体放入稀盐酸中超声清洗脱锂，并抽真空过滤，然后干燥，得到脱锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体；步骤五，将步骤四得到的硅基/石墨烯复合材料前驱体在700?1000℃的惰性气体氛围灼烧，即得到硅基/石墨烯复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种硅基/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，以含硅基/石墨复合材料的极片作为工作电极、含锂源材料的极片作为对电极，与含碳酸丙烯酯和锂盐的电解液和隔膜组装成扣式电池、叠片电池、软包装电池、圆柱电池和方形电池中的任意一种； 步骤二，将组装好的电池进行充放电，使锂离子和碳酸丙烯酯在电场作用下共嵌入石墨层间，使得石墨层产生剥离，得到嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体； 步骤三，拆掉电池，将嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体放入碳酸二甲酯溶液中浸泡，并抽真空干燥； 步骤四，将步骤三中真空干燥后的嵌锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体放入稀盐酸中超声清洗脱锂，并抽真空过滤，然后干燥，得到脱锂的硅基/石墨烯复合材料前驱体； 步骤五，将步骤四得到的硅基/石墨烯复合材料前驱体在700-1000°C的惰性气体氛围灼烧，即得到硅基/石墨烯复合材料。2.根据权利要求1所述的硅基/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于:所述硅基/石墨复合材料包括娃基材料和石墨，并且所述娃基材料均勾地粘附于所述石墨的表面。3.根据权利要求1所述的硅基/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于: 所述硅基材料为硅、一氧化硅和二氧化硅中的至少一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪新，阮丁山，汪颖，刘东任，孙峰，
申请(专利权)人：东莞新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：