[发明专利]一种锂离子电池用免粘结剂石墨烯/硅电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池电极及其制备方法，尤其涉及一种锂离子电池用免粘结剂石墨烯/硅负极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为这些年来新兴的高性能化学电源，具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、可快速充放电等优点，应用领域不断扩大，尤其是在电动车发展和可再生资源探索的推动下，化学电源的研究有了新的出发点，需要更高的储能和能量转换设备，同时还要具有高比能量、高比功率、长寿命。但是，现在商品化的锂离子电池还存在许多不足，使得在高比能电源的应用上无法满足需求。锂离子电池的负极材料是影响电池性能的关键因素，目前的商品锂离子电池多采用石墨等碳质负极。因为其具有良好的导电性能和循环稳定性能，在笔记本电脑、手机等电器电源方面应用广泛，但是现行的商品化锂离子电池比容量低（石墨理论比容量仅372mAh/g），远远无法满足高比能电源系统的需要，因此开发新一代高性能锂离子电池材料已成为科研工作者亟需解决的问题。

硅作为半导体材料，储量丰富，并且具有很高的比容量（据文献报道为4200mAh/g），但是硅材料做电极使用时，随着反应的进行材料体积变化大（大约可达到原体积的4倍），这使得硅电极发生碎裂和粉化，无法实际应用，目前主要是利用硅材料的纳米化和复合化来缓解硅的体积膨胀，从而提高其循环寿命。石墨烯近年来因为其优越的电化学性能成为研究热点，其具有极高的表面积（2600 m²/g）和优良的导电性，将石墨烯与硅材料复合是制备高性能硅基电极的有效方法。这是因为，一方面石墨烯巨大的表面积可以有效的缓冲硅材料的体积膨胀，另一方面石墨烯还可以为硅提供导电网络。将硅材料加入到上述免粘结剂石墨烯电极中，制成复合材料电极，这样脱嵌锂过程中硅材料的体积变化影响可被石墨烯巨大的表面积消弱，同时硅还可以为电极提供高的比容量，从而得到高性能的免粘结剂石墨烯/硅电极。

研究发现在特定条件下通过溶液法在一定条件下还原氧化石墨制备的石墨烯，可经抽滤、干燥过程得到柔韧性非常好的石墨烯薄膜，这种石墨烯薄膜可以直接作为电极使用，避免了粘结剂、导电剂和集流体的使用。Wang等将纳米硅颗粒与氧化石墨复合，经水合肼还原、抽滤及热处理得到了具有良好电化学性能的石墨烯/纳米硅复合薄膜电极，但是由于不存在集流体，电极导电性能有所欠缺，容量较低，循环100次后仍具有708 mAh/g的可逆容量 [Wang, J. Z. et al. Electrochemistry Communications. 2010, 12(11): 1467-1470.]。通过将氧化石墨与纳米硅粉混合，超声分散抽滤成饼/膜，并将其在还原气氛下焙烧，可得到自支撑石墨烯/硅复合薄膜电极，但是这种薄膜电极机械强度与传统集流体电极相比较差，制备工艺不成熟，工业化生产困难大[公开号CN101924211A]。Chang等通过在泡沫镍上交替沉积氧化石墨和纳米硅颗粒，经氢氩热处理得到了具有多层石墨烯/纳米硅结构的免粘结剂电极，这种电极表现出了极高的容量和良好的循环稳定性，76%Si含量的电极，0.02C倍率下首次放电和充电比容量分别为3150 mAh/g和2300 mAh/g，1C倍率下循环100次后容量保持率高达80%，但是其制备方法过于繁琐，不适合规模工业化制备[Chang, J. et al. Advanced Materials.2014, 26(5)：758-764.]。

发明内容

本发明的目的在于简化锂离子电池电极制备的流程，提供一种简单、可行、环保的锂离子电池用免粘结剂石墨烯/硅电极及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种锂离子电池用免粘结剂石墨烯/硅电极，由石墨烯/硅多层结构层和铜箔构成，所述铜箔表面涂覆有石墨烯/硅多层结构层。

一种上述锂离子电池用免粘结剂石墨烯/硅电极的制备方法，具体步骤如下：

一、氧化石墨溶液的制备：

配置0.1-2mg/mL的氧化石墨水溶液，超声分散后用氢氧化钠溶液调节pH在5-10之间。

二、石墨烯胶体的制备：

    在水浴的条件下，向氧化石墨水溶液中加入适量还原剂进行还原；离心、洗涤至中性，得到具有一定粘性的石墨烯胶体。

三、铜箔的表面改性处理：

常温下将铜箔浸泡在有机酸或双氧水中一段时间，然后用去离子水洗涤干净，自然晾干。

四、免粘结剂石墨烯/硅电极的制备：

（1）将硅分散在去离子水中，加入表面活性剂，超声分散均匀；