[发明专利]一种锡/石墨烯/碳纤维复合锂电池负极材料制备方法

说明书

本发明提供一种锡/石墨烯/碳纤维复合锂电池负极材料制备方法。首先氧化石墨烯与锡金属颗粒超声混合，于保护性气氛下还原石墨烯得到锡/石墨烯复合材料，再将复合材料与分散后的碳纤维超声混合、烘干制得该负极材料。

技术领域

本发明属于复合材料领域，特别涉及一种锡/石墨烯/碳纤维复合锂电池负极材料制备方法。

背景技术

锂离子电池是指锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。现在3C产业常提到的锂电池是钴酸锂电池，由一个石墨负极，一个采用钴酸锂等锂化合物的正极，以及一种用于输运锂离子的电解液所构成。锂离子进入负极材料的过程叫插入，离开的过程叫脱插。在充电过程中，锂离子通过端面嵌入石墨的片层中间，以原子的形式存在，于石墨形成不同阶数的化合物。嵌入量最大时对应的化合物为LiC6，由此可算得石墨的最大可逆容量为372mA·h/g。在一些热解石墨电极中，由于始末的层间距较大，部分Li以分子的形式嵌入石墨层片之中，在此机制下其理论可逆容量要大于372mA·h/g。上述理论模型说明了如下结论，改变石墨层片的间距、排列方式、缺陷状态和化学状态等都可以改变负极储锂的容量。而石墨烯恰是做出这一改变的最佳选择。

石墨烯由碳原子构成的两维周期蜂窝状点阵结构，它只有一个原子那么厚，是人类已知的最薄的材料。它于2004年由两位俄裔英国科学家发现(SCIENCE2004，306，666-669)，并获得了2010年的诺贝尔物理奖。研究发现，石墨烯具有远超现有材料的各种优异属性。它是世界上最薄(0.34nm)、最强韧的材料，理论比表面积高达2630cm²/g，它的强度是钢材的200倍，与金刚石相当，同时弹性模量又高达1.0TPa。单层石墨烯不属于以往任何一种凝聚态系统，电子在其中的传播失去了有效质量，它的载流子迁移率高达200000cm²/Vs，是硅的100倍。同时石墨烯可以耐受1～2·108A/cm²的电流密度。

利用石墨烯的高比表面积，对其进行适当的排列组装，就可以增大其表面储锂的有效位置和密度。这是由于石墨烯并不是层叠装堆积在一起的，因此其两侧可以同时吸附Li，因此其理论的储锂能力将远同质量的石墨。

石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积、SiC外延生长法、化学还原法等等。其中化学还原法以刚定向热解石墨为原料，通过强氧化剂氧化石墨，使石墨层间距变大从而易于分离，再利用超声等方法剥离氧化后石墨，待剥离后将氧化石墨还原，得到石墨烯。化学还原法的优点是原材料来源广泛、工艺简单，可用于大量制备石墨烯，成本低。

锡的理论可逆存储密度要高于石墨，达到993mA·h/g，将其与石墨烯进行复合，锡颗粒分布在石墨烯表面，可大大增加锡与电解液的接触面积，并通过石墨烯的高强度限制锡在嵌锂和脱锂过程中的体积效应。

碳纤维是将聚丙烯腈等材料的纤维经预氧化、碳化、石墨化、表面处理工艺后制得的含碳量大于90％的碳纤维，直径一般为7～8μm。其弹性模量高达230GPa，其中24K以上的碳纤维每米电阻低于18Ω。将碳纤维混杂在上述的石墨烯/锡颗粒复合材料之中。可形成以碳纤维为网格骨架，石墨烯/锡复合材料为内容的均匀分散的网络结构。这样的网络结构，为锂离子进出电极提供了大量顺畅的输运通道，使其可充分与负极材料接触，提高负极材料的利用效率。同时碳纤维和石墨烯的高导电性能够在充放电过程中保证载流子(电子)的快速迁移，达到降低现有电池内阻的目的。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种锂离子电池负极材料的制备方法，通过碳纤维、锡、石墨烯构成的网络状结构，提高负极材料储锂的有效位置及充放电时锂的输运速度。为了达到以上目的，本发明提供的技术方案是：一种锡/石墨烯/碳纤维/复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将占复合材料总质量0.1-1％的氧化石墨烯与占总质量85-90％的锡金属颗粒混合，置于极性溶剂中，超声分散1-3小时，再混合搅拌1-3小时，之后用无水乙醇冲洗，烘干；