[发明专利]一种石墨烯包覆硅负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子负极材料技术领域，具体涉及一种石墨烯包覆硅负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因为其高能量密度、高功率密度、长使用寿命等优点，是最有前途的储能化学电池。虽然锂离子1990年就开始商用，但是其储能性能仍然不能满足人们的需要，尤其是在电动车动力电源这些需要更大能量密度和功率密度的动力电池上。同时，作为便携式电子设备广泛使用的电池，锂离子电池也需要不断提高其性能以满足不断提高的性能要求和市场需求。因此，开发高性能锂离子电池，成为了近年的研究热点。其中一个关键的研究方向就是研发有更高比容量、更高充放电速度、更长循环使用寿命的负极材料。

硅作为锂离子电池负极材料的最大优势在于其较高的理论比容量（理论容量为4200mAh/g），但其在充放电过程中由于体积膨胀易造成结构破坏，容量急剧衰减。目前对于高容量硅负极材料的改性主要采用表面改性、掺杂、复合等方法形成包覆或高度分散的体系，通过提高材料的力学性能，以缓解脱嵌锂过程中体积膨胀产生的内应力对材料结构的破坏，从而提高其电化学循环稳定性。

2004年英国曼彻斯特大学的安德烈•K•海姆（AndreK.Geim）等用机械劈裂法制得独立的石墨烯。自此物理、化学、材料领域的科学家对石墨烯开始了系统的研究。石墨烯是sp2杂化形成的碳六元环状二维结构，是大部分碳类材料，特别是石墨类材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本构件。石墨烯的每个C原子通过很强的δ键共价键与其它三个C原子相连接，因此使石墨烯具有极好的机械强度。每个C原子剩余的一个p轨道电子，在与石墨烯平面垂直的方向形成了共轭的离域大π键，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有良好的导电性。石墨烯虽然被证实能以单原子的二维结构单独存在，但是因为发散的热学波动起伏，会导致石墨烯产生特征的不平整，甚至是皱褶和卷曲。一方面，科学家们研究可以控制石墨烯皱褶的基底，并研究电荷迁移率和皱褶之间的关系。另一方面，利用石墨烯本征的褶皱和卷曲的微观结构，复合石墨烯与其他材料，制备石墨烯复合材料，具有单元材料不同的优异性质。

因此，有必要研发一种比容量高和循环稳定性好的石墨烯包覆硅负极材料及其制备方法，已解决现有技术的不足。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯包覆硅负极材料的制备方法，该制备方法采用静电自组装合成技术，原料来源广泛，价格低廉，合成方法简单，工艺条件易控制，可操作性强，重复性好。

本发明的目的在于提供一种石墨烯包覆硅负极材料，该石墨烯包覆硅负极材料比容量高，循环性能和倍率性能优良，在0.01-1.2V，200mA/g电流密度下首次放电比容量达到2746mAh/g，经过100次循环放电比容量保持在803.8mAh/g。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种石墨烯包覆硅负极材料的制备方法，包括如下步骤：

A、制备氧化石墨烯悬浮液：

A1、在冰水浴的条件下，向浓硫酸中加入浓磷酸，搅拌均匀，然后加入石墨，搅拌均匀，再缓慢加入高锰酸钾粉末，搅拌30-60min，然后升温至45-55℃，搅拌20-28h，得到反应物；

A2、将步骤A1得到的反应物冷却至室温并缓慢倒入冰水与双氧水的混合液中，然后离心分离，并用稀盐酸洗涤，然后用去离子水洗至pH值为6.8-7.2，得到的产物在45-55℃真空干燥，制得氧化石墨；

A3、将步骤A2制得的氧化石墨超声分散在去离子水中，形成氧化石墨烯悬浮液；

B、制备纳米硅颗粒悬浮液：

B1、在冰水浴的条件下，向双氧水中加入浓硫酸，搅拌均匀，然后加入单质纳米硅颗粒，继续搅拌，离心洗涤，干燥后得到处理过的纳米硅颗粒；

B2、将步骤B1处理过的纳米硅颗粒超声分散在无水乙醇中，水浴加热，缓慢滴加偶联剂，恒温搅拌8-16h，冷却，抽滤，干燥后制得偶联剂表面修饰的纳米硅颗粒；

B3、将步骤B2制得的偶联剂表面修饰的纳米硅颗粒超声分散在去离子水中，形成硅烷偶联剂表面修饰的纳米硅颗粒悬浮液；

C、制备石墨烯包覆硅负极材料：

C1、将步骤A3制得的氧化石墨烯悬浮液与步骤B3制得的硅烷偶联剂表面修饰的纳米硅颗粒悬浮液混合，搅拌均匀，离心洗涤，得到混合物；

C2、将步骤C1得到的混合物在保护气氛下进行高温处理，制备石墨烯包覆硅负极材料。