[发明专利]氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，尤其涉及一种氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料及其制备方法。

背景技术

随着科技的发展，环境问题日益引起社会的重视，绿色环保的交通工具日渐受到人们的青睐，进而推动了电动汽车及储能电池组的快速发展。锂离子电池作为主流储能工具，传统的，主要以石墨体系作为负极活性材料，此类活性材料具有优异的电化学性能。然而，由于石墨类负极体系的理论比容量仅为372mAh/g，难以满足市场对大容量、高功率电源的需求，因此开发出一种高比容量、优异倍率性能、循环性能的负极材料成为发展的趋势。

在新型负极材料的研究方面，主要由硅基材料、锡基材料、合金材料、氮化物以及氧化物材料等。其中，由于硅与锂反应生成的Li₂₂Si₅合金，理论容量高达4200mAh/g，为传统碳负极材料的11倍，远大于金属锂的容量，因而成为现阶段的研究热点。但是，硅基材料在作为负极活性材料使用时，由于在嵌脱锂的过程中硅体积的膨胀、收缩，其产生的机械应力容易造成材料结构的破坏和机械粉化，进而导致比容量迅速衰减，电池循环性能变差。为了解决上述问题，并充分利用硅材料高容量的优势，研究人员采用了多种方法来解决硅材料在循环过程中的膨胀问题，一方面，严格限制材料中的硅含量，使其含量限定在所述负极材料总质量的5～10％，从而使得材料膨胀在可接受的范围内，这样却无法发挥硅的容量优势(4200mAh/g)，市场上通过该方法获得的硅碳负极产品容量大多为450mAh/g左右；另一方面，改变硅的存在形式，制备复合结构。在硅的存在形式方面，人们制备了硅纳米颗粒、纳米薄膜、纳米线等；在复合结构方面常采用的是硅表面的包覆，通常采用各种形式的碳包覆。但相关研究结果表明硅纳米颗粒、薄膜这种结构制备的硅碳复合材料在经过长时间的循环后，硅材料的膨胀仍能够造成结构的破坏，降低电池的循环性能，所以这些措施只能在一定程度上能够限制硅材料的膨胀或者为膨胀提供有效的空间，不能从根本上改善硅基负极材料的体积膨胀问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种容量高、循环性能好的氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料，旨在解决现有含硅负极材料在循环过程产生严重的体积膨胀，造成材料粉化严重、电接触变差，进而使电池的高循环性能和高比容量不可兼得的问题。

本发明的另一目的在于提供一种氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料的制备方法。

本发明是这样实现的，一种氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料，所述氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料包括改性氧化石墨烯、硅纳米线和碳包覆层，其中，所述改性氧化石墨烯为表面含有催化剂的氧化石墨烯，且所述硅纳米线通过所述催化剂诱导沉积在所述氧化石墨烯表面，所述碳包覆层包覆在所述硅纳米线表面。

以及，一种氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料的制备方法，包括以下步骤：

氧化石墨烯预处理：采用热蒸发或磁控溅射的方法在氧化石墨烯表面沉积催化剂，获得改性氧化石墨烯；

硅纳米线沉积：将所述改性氧化石墨烯置于密闭设备中，在负压条件下通入硅源和氢气，对所述改性氧化石墨烯进行沉积处理，获得表面沉积有硅纳米线的改性氧化石墨烯；

碳包覆：通入碳源，在常压条件下对所述硅纳米线进行沉碳处理，得到氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料。

本发明提供的氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料，将所述硅纳米线通过催化剂沉积在所述氧化石墨烯表面，再在所述硅纳米线表面包覆碳包覆层，从而形成双重缓冲结构。所述硅纳米线表面包覆碳层可以吸收硅体积变化产生的应力，可以限制或者缓冲电化学过程中硅的体积变化，防止硅粉化造成硅直接与电解液接触在硅表面形成不稳定的SEI膜，降低电极材料的循环性能；电化学过程总硅纳米线膨胀反映氧化石墨烯的片层结构的在二维方向上，石墨烯片片层结构能发生弹性变化吸收膨胀产生的应力，不会造成复合材料的结构改变影响材料的循环性能。此外，本发明氧化石墨烯具有较大的比表面积(700m²/g)，通过表面诱导在其表面生长大量的硅纳米线，制备的硅碳复合材料具有高的比容量(大于2500mAh/g)及良好的循环性能。

本发明提供的氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料的制备方法，只需经过氧化石墨烯预处理、硅纳米线沉积和碳包覆的步骤即可实现，该方法简单易操作，易于实现产业化；且通过该方法制备的氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料，具有高的比容量(大于2500mAh/g)及良好的循环性能。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的氧化石墨烯嵌硅纳米线复合材料循环前后状态示意图；