[发明专利]石墨烯复合锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，涉及一种纳米结构的石墨烯复合锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于其能量密度高、循环性能好，得到了广泛的应用，在很多领域逐渐取代了传统的铅酸电池等化学电源。特别是随着能源与环境问题的日益凸显，新能源产业得到了越来越多的重视。混合动力汽车和电动汽车行业发展迅速，锂离子电池作为其中重要的储能装置被广泛应用。

锂离子电池负极材料是电池的重要组成部分，它的结构与性能直接影响锂离子电池的容量和循环性能。目前商用的锂离子电池负极材料以石墨为主，由于石墨成本低来源广泛，适于商品化，但是其容量较低，理论容量仅为372mAh/g，在需要高能量输出的领域的应用受到限制。

金属氧化物如TiO₂，SnO₂等，由于具有很高的比容量，其中SnO₂比容量高达782mAh/g，也可作为锂离子电池负极材料，但SnO₂作为电极材料在充放电过程中体积变化高达200～300%，这会引起电极的粉化，导致活性物质与集流体的断路。因此，大多数SnO₂电极都存在容量衰减迅速的问题，这也限制了金属氧化物作为锂离子电池负极材料的发展和实际应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中采用石墨的锂电池负极材料具有容量低的缺陷，金属氧化物作为负极材料时，充放电过程中体积变化大造成电极粉化的缺陷，提供一种导电性好、电化学储锂容量大、能量密度高、循环性能好的石墨烯复合锂离子电池负极材料。

本发明进一步要解决的技术问题在于，还提供一种容易实现工业化、低成本的石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合锂离子电池负极材料，该材料包括多层石墨烯片层，在相邻的石墨烯片层之间设有空心纳米负极颗粒层，所述石墨烯片层将所述空心纳米负极颗粒层中的空心纳米负极颗粒逐个半包围间隔开，所述相邻的石墨烯片层之间留有间隙；所述的空心纳米负极颗粒由碳外层、中空的金属负极材料内层组成的两层空心结构。

所述复合锂离子电池负极材料中，所述石墨烯片层是由石墨烯或氧化石墨烯中的至少一种组成的片层结构，所述石墨烯或氧化石墨烯的含量不低于负极材料总重量的1%。石墨烯片层厚度为3.5nm-35nm，优选石墨烯或氧化石墨烯的重量百分含量是负极材料总重量的1-10%。

所述复合锂离子电池负极材料中，所述碳外层是由有机碳源热分解得到的中空球状结构。碳外层厚度为3.5nm-10μm。

所述复合锂离子电池负极材料中，所述中空的金属负极材料内层由充满电后体积膨胀比例大于5%的金属、合金、金属氧化物中的至少一种制成。金属负极材料内层厚度为10nm-10μm。

一种复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）、将原料二氧化硅的有机前躯体、阳离子表面活性剂、锡盐溶液、有机碳源混合反应；之后加入氧化石墨烯或石墨烯的分散液继续反应；最后干燥得到中间产物；其中原料重量份数分别为：二氧化硅的有机前躯体1-20、阳离子表面活性剂2-10、锡盐5-50、有机碳源5-50、氧化石墨烯或石墨烯1-10；

（2）、采用处理液处理中间产物，然后洗涤干燥得到初产物；在氧化性气体含量低于0.01%的环境中对初产物进行热处理，即得到复合锂离子电池负极材料。

所述复合锂离子电池负极材料的制备方法中，优选所述步骤（1）包括以下子步骤：

（A）先调节溶剂的pH值至碱性，再依次加入原料二氧化硅的有机前躯体、阳离子表面活性剂、锡盐溶液，搅拌反应2-25小时；再加入有机碳源搅拌下继续反应2-25小时；所述溶剂为乙醇和水的混合溶液；

（B）将步骤A得到的反应溶液滴加到氧化石墨烯或石墨烯的分散液中，继续搅拌反应；

（C）将步骤B最后的反应溶液干燥后得到固体为中间产物；

所述复合锂离子电池负极材料的制备方法中，优选所述步骤（1）中，所述二氧化硅的有机前躯体为硅酸酯、硅烷中的至少一种。

所述复合锂离子电池负极材料的制备方法中，优选所述步骤（1）中，所述锡盐溶液为氯化亚锡、四氯化锡、草酸亚锡的水溶液的至少一种。