[发明专利]石墨烯、硅复合材料的制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及锂离子电池、混合超级电容器领域，尤其涉及一种作为负极材料的石墨烯、硅复合材料的制备方法。

【背景技术】

传统商品化的锂离子电池大多采用锂石墨体系，虽然这类体系的电化学性能优异，但由于其本身储锂能力较低，如石墨的理论储锂容量为372mAh/g，所以新型的过渡金属氧化物/石墨体系受到人们的广泛重视。

目前所知道的嵌锂材料中，纯硅因具有最高的理论储锂容量(4200mAh/g)，相对较低的嵌锂电位，充放电过程不易团聚，较其他金属基材料具有更高的物理稳定性和化学稳定性，已成为锂离子电池负极材料领域的研究热点。但是硅基材料在深度脱嵌锂过程中由于体积效应产生的应力作用容易造成硅晶格结构的崩塌和材料粉化，致使活性物质脱离电极材料体系而失去活性，因此具有很差的循环稳定性。对硅基材料主要改进方法有采用Ni、Fe以及Cu等金属与硅复合，形成以硅为活性中心，以惰性金属为分散载体的活性/惰性复合体系，改善材料的导电性能的同时，提高了含硅材料的循环性能。但是这种材料容易形成惰性的金属硅相，而且这些金属本身的摩尔质量比较大，属于非嵌锂材料，因此在一定程度上削弱了硅基材料的比容量；另外金属本身具有电子导电性，不具备离子导电性，使得电解质难于浸入，从而失去活性。另外一种方法就是有碳材料包覆的方法，比金属的摩尔质量低，而且电解质易于浸入，相对效果较金属要好，材料性能有一定的改进，但还是较差。

石墨烯具有良好的导电性、空隙分布以及较高的机械性能，利用石墨烯材料替代传统的碳材料，与硅结合制备的石墨烯、硅复合电极材料具有良好的电化学稳定性。传统的石墨烯、硅复合电极材料大都采用湿法制备，得到的产物需要进行严格的提纯除杂，过程繁琐，效率低，且产物常常混有杂质，影响电极材料的性能。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种过程相对简便，可以直接得到产物的石墨烯、硅复合材料的制备方法。

一种石墨烯、硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：

提供或制备纳米二氧化硅粉末及氧化石墨；

将纳米二氧化硅粉末与氧化石墨按质量比1∶10～200混合均匀；

将均匀混合的纳米二氧化硅粉末和氧化石墨置于还原性气体的氛围下，以10～100℃份钟缓慢升温至200～1200℃进行充分还原反应，冷却后得到所述石墨烯、硅复合材料。

优选的，制备所述氧化石墨包括如下步骤：将石墨原料、过硫酸钾和五氧化二磷加入至80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6小时以上，抽滤，洗涤至中性，干燥，得到混合样品；将所述混合样品加入至0℃的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，体系的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2小时后，缓慢加入去离子水，15分钟后，再加入含双氧水的去离子水，直至溶液的颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用浓度为10％的盐酸进行洗涤，抽滤，60℃真空干燥即得到氧化石墨。

进一步优选的，所述石墨原料为纯度大于等于99.5％的天然鳞片石墨。

优选的，所述将纳米二氧化硅粉末与氧化石墨按质量比1∶10～200混合均匀包括如下步骤：制备均匀分散的纳米二氧化硅溶液与均匀分散的氧化石墨溶液；将所述纳米二氧化硅溶液与氧化石墨溶液按纳米二氧化硅∶氧化石墨＝1∶10～200的质量比例混合，室温下剧烈搅拌直至纳米二氧化硅与氧化石墨在混合液中分散均匀；真空干燥分散均匀的混合液，得到混合均匀的纳米二氧化硅与氧化石墨粉末。

优选的，制备所述均匀分散的纳米二氧化硅溶液是将纳米二氧化硅粉末加入至乙二胺溶液中，搅拌直至纳米二氧化硅粉末完全溶解。

优选的，制备所述均匀分散的氧化石墨溶液是将氧化石墨加入到水中，进行超声分散，形成以单片层均匀分散的氧化石墨溶液。

优选的，所述还原性气体包括H₂和NH₃中的至少一种气体。

优选的，所述冷却是将反应后的混合物在H2氛围下冷却至室温。

该制备过程中通过将混合均匀的纳米二氧化硅与氧化石墨的混合固体在还原性气体的氛围中进行还原反应得到石墨烯、硅复合材料，制备过程相对简单，由于反应过程中产生的杂质均为气体物质，可以直接排出，无需复杂的干燥提纯步骤，可以直接得到产物，从而制备效率更高，制得的复合材料纯度高，性能得到保证。

【附图说明】

图1为实施例1制得的石墨烯、硅复合材料的SEM照片；

图2为实施例1制得的石墨烯、硅复合材料的XRD图。

【具体实施方式】