[发明专利]一种纳米硅颗粒-石墨片-碳纳米管复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种纳米硅颗粒‑石墨纳米片复合材料及其制备方法与应用。所述制备方法，以石墨纳米片为基础，将硅纳米颗粒负载在石墨纳米片的表面上，再掺入少量碳纳米管，然后通过静电喷雾与热处理相结合的方法在复合材料表面包覆一层碳层，形成多尺度的碳（石墨纳米片+碳纳米管）‑硅纳米颗粒‑碳复合结构材料，使得所述纳米硅颗粒‑石墨片复合材料具有较强的机械强度，由其制备而成的锂电池的容量大，循环性能好，充放电时间少；在快速充‑放电的情况下，与正常充放电速率相比，其容量衰减小。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极活性材料领域，更具体地，涉及一种纳米硅颗粒-石墨纳米片-碳纳米管复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着各种便携式电子设备的小型化发展以及电动汽车对大容量高功率化学电源的广泛需求，探索高比容量、长循环寿命和低成本的锂离子电池负极材料成为研究热点。目前商用锂离子电池石墨负极材料的350mAh/g容量已接近理论容量(372mAh/g)，已没有多大的提升空间，探索新型负极材料势在必行。

与传统的石墨负极比较，硅具有十倍于石墨的理论容量，高于碳基材料的充放电电压(0.4V/vs Li/Li⁺)可以避免锂枝晶形成，具有更好的安全性，因此被认为是下一代锂离子电池负极材料最有希望的候选。但其在充放电过程中存在严重的体积效应(～300％)和低电导率(6.7×10^-4S/cm)产生的循环稳定性瓶颈和首次库仑效率低，以及Si的合成控制困难，工艺复杂、产量低、成本高是阻碍其工业化应用和推广的主要问题。为了解决这些问题，设计硅微观结构抑制其体积变化、提高硅抗粉化能力并改善其导电性，制备具有更高容量和优良循环性能、高产率、低成本的硅基材料一直是研究重点。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述缺陷，提供一种纳米硅颗粒-石墨纳米片-碳纳米管复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种纳米硅颗粒-石墨纳米片-碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1. 采用氨基型硅烷偶联剂对纳米硅颗粒的表面进行氨基修饰；

S2. 对由石墨纳米片和碳纳米管组成的碳材料进行酸处理；

S3. 将经过酸处理的碳材料分散于水中，然后再加入经氨基修饰后的纳米硅颗粒，搅拌，得到混合溶液；所述经氨基修饰后的纳米硅与所述碳材料的质量之比为1:9～3:7；

S4. 将所述混合溶液进行过滤，干燥，然后球磨处理，得到负载纳米硅颗粒的碳材料；

S5. 将所述负载纳米硅颗粒的碳材料加入到含有聚丙烯腈或沥青的N,N-二甲基甲酰胺溶液中，然后进行静电喷雾，所得样品在230~280℃，优选为250℃下进行固化，并在惰性气体的保护下高温碳化处理，最终得到纳米硅颗粒-石墨片-碳纳米管复合材料。

上述制备方法将纳米硅颗粒掺入到石墨负极来增加整个石墨负极的容量，其以石墨纳米片为基础，将纳米硅颗粒在溶液中均匀地以化学键结合的方式负载在石墨纳米片与碳纳米管的表面上，然后通过静电喷雾与高温热处理相结合的方法在复合材料表面包覆一层碳层，形成碳（石墨纳米片+碳纳米管）-硅纳米颗粒-碳复合结构材料（形成次级的微米颗粒，1-50微米），进一步提高所述纳米硅颗粒-石墨纳米片-碳纳米管复合材料机械强度、循环性能和稳定性，使其在快速充-放电的情况下，容量衰减小。