[发明专利]石墨烯/硅/碳纳米管复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池硅负极材料，尤其是涉及一种石墨烯/硅/碳纳米管复合材料及其 制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池作为便携式电子设备、电力和混合动力汽车的电源，由于其高能量密度和稳 定的循环性能使其需求日益增加。开发有更高功率密度和能量密度、适合于快速充放电的动 力型锂离子电池以及具有更为长久续航能力的锂离子电池的主要思路是寻找新型正极、负极 材料，使电池具有更高的锂嵌入量和更好的脱锂可逆性，以保证电池的高电压、大容量和长 循环寿命。当前商业化锂离子电池负极材料采用的是石墨材料，它具有防止锂的枝状结晶、 嵌锂时体积变化小等优点，但其大约370mAh/g的理论容量不及锂金属负极理论容量的1/10。 因此，人们正在积极寻找新的高容量、长循环寿命的负极材料以代替石墨材料。

其中，硅材料由于其极高的理论比容量(4200mAh/g)成为目前最具有吸引力的一种负 极活性材料。然而，由于硅材料本身的物理化学特性，在用于锂离子电池负极材料时也存在 一些问题：首先，硅材料在锂的嵌入和脱嵌过程中伴随着更大体积变化，导致其循环稳定性 较差。其次，硅粉末的固有电导率低也易导致电极的极化。以上这些问题直接阻碍了其工业 化的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供容量高、循环性能好的一种石墨烯/硅/碳纳米管复合材料及其制 备方法与应用。

所述石墨烯/硅/碳纳米管复合材料是石墨烯、硅材料与碳纳米管(碳纤维)复合的一种 硅碳复合材料。

所述石墨烯采用单层石墨烯、多层石墨烯或石墨烯微片。

所述硅材料为纳米硅粉、硅纳米线、硅纳米管、硅纳米空心球等中的一种。

所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

按质量百分比，硅材料占总量的20％～90％，石墨烯与碳纳米管(碳纤维)占总量的80％～ 10％。

所述石墨烯/硅/碳纳米管复合材料的制备方法的具体步骤如下：

将石墨烯粉末、碳纳米管加至NMP溶液中，用超声振荡使其分散均匀，再加入纳米硅粉， 超声振荡分散均匀；将得到的混合溶液干燥、烘干、研磨，即得石墨烯/硅/碳纳米管复合材 料。

所述碳纳米管为长度可为5～15μm，管径可为10～20nm；所述纳米硅粉的平均粒径可 为30～100nm；按质量百分比纳米硅粉占总量的20％～90％，石墨烯与碳纳米管占总量的80～ 10％；所述干燥可采用喷雾干燥法干燥；所述烘干可在100℃真空烘箱中烘干12h。

所述石墨烯/硅/碳纳米管复合材料可作为负极材料应用于锂离子电池，表现出良好的电 化学性能。

所制得石墨烯/硅/碳纳米管复合材料可采用以下方法表征：

将所制得石墨烯/硅/碳纳米管复合材料与粘结剂CMC、导电剂乙炔黑混合制浆涂至铜箔 表面，并在80℃下烘干，使用锂片为对电极，安装成扣式电池。

本发明所制得石墨烯/硅/碳纳米管复合材料综合了碳材料与硅材料各自的优点，将石墨 烯与硅材料、碳纳米管或碳纤维等碳纳米管(碳纤维)进行复合得到锂离子电池负极材料， 其具有容量高、效率高、循环性能好等特性。

相比于现有技术，本发明的优点在于：用较为简便的步骤将石墨烯、硅材料与碳纳米管 (碳纤维)进行复合，并通过石墨烯及新型材料的特殊结构改善了硅材料在充放电过程中的 体积效应，提高了硅材料的导电性，使复合材料获得了更高的比容量和更好的循环性能。

附图说明

图1为本发明实施例制得的石墨烯/硅/碳纳米管复合材料的扫面电镜图。在图1中，a 的标尺为30μm；b的标尺为3μm。

图2为本发明实施例制得的石墨烯/硅/碳纳米管复合材料及纳米硅/碳混合材料所制扣 式电池的第1圈充放电曲线比较图。

图3为本发明实施例制得的石墨烯/硅/碳纳米管复合材料及纳米硅/碳混合材料所制扣 式电池前90圈放电性能比较图。

图4为本发明实施例制得的石墨烯/硅/碳纳米管复合材料及纳米硅/碳混合材料所制扣 式电池倍率性能比较图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1