[发明专利]石墨烯增强硅‑碳复合材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体是一种石墨烯增强硅-碳复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

从300多年前伏打电堆的诞生之日起，电池便成为人类社会不可或缺的重要部分。随着工业革命和科技引领世界时代的发展，能源短缺和日益增加的环境问题使人们迫切的需要寻找一种新的电池。20世纪90年代锂离子电池的异军突起，迅速在全世界范围内刮起了一场锂离子电池风暴，当时的锂离子电池主要应用在手电筒、收音机、汽车和摩托车的启动电源等，而现在锂离子电池主要应用在电子手表、应急电源、导弹、潜艇、电动汽车等等。近年来，我国的经济、科技、政治的巨大发展使我国在国际上享有的盛誉越来越多，使我国人民的生活水平完全进入小康标准。但这些发展背后产生的环境问题也实实在在的影响了人们的生活，山川河流空气水质越来越差、气温越来越高、雾霾越来越严重。其中发展新能源电动汽车是解决这一问题的突破口，我国在2016年已有10省13市出台了关于推广新能源电动客车数量的政策，锂离子电池作为电动汽车的动力电池，在电动汽车的发展当中起着举足轻重的作用。

目前，商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨、硅等，其中石墨具有较低嵌/脱锂电压且储量丰富、价格低廉，在相当长的一段时间里占据了锂离子电池负极材料的主导地位。但由于石墨的理论比容量只有372mAhg^-1，已逐渐被具有超大理论比容量的硅所代替，单质硅的理论比容量可以达到4200mAhg^-1，但是单质硅作为锂离子电池负极材料体积效应、电导率问题、SEI问题等限制了循环能力。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的之一在于提供一种石墨烯增强硅-碳复合材料。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种石墨烯增强硅-碳复合材料，包括：硅基底、硅基底上的中间碳层、中间碳层外面的石墨烯层。

本发明的目的之一在于提供一种所述的石墨烯增强硅-碳复合材料，所述硅基底为1-3um的微米硅、或50-100nm的纳米硅、或多孔硅，所述多孔硅为孔洞大小为10nm～30nm的微米多孔硅或者孔洞大小为0.5nm～2nm的纳米多孔硅。

如果原始硅粉尺寸比较大，可以通过球磨机球磨使粗硅的尺寸符合上述要求。

所述硅基底作为负极材料是已知的容量最高的负极材料，理论容量最高可达4200mAhg^-1，并且放电电压平台相对较低，是锂离子电池负极材料的最优选择。

作为优选方式，所述中间碳层的碳源选自葡萄糖、蔗糖、石墨、聚偏氟乙烯其中的一种。

本发明的目的之一在于提供一种所述的石墨烯增强硅-碳复合材料作为锂离子电池负极材料的用途。

本发明的目的之一在于提供一种所述的石墨烯增强硅-碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取上述微米硅或纳米硅或多孔硅的粉末进行预处理去除表面的氧化层后待用；

(2)将上述预处理后的硅粉和中间碳层的碳源加入去离子水混合搅拌，所述中间碳层的碳源与硅粉的质量比为(1:10)～(3:5)，然后烘干、捣碎、煅烧，得到内部为硅粉外部包覆中间碳层的粉末；

(3)将上述包覆中间碳层的粉末和氧化石墨烯加入去离子水混合，包覆中间碳层的粉末与氧化石墨烯的质量比为(5:1)-(20:1)，然后超声搅拌混合均匀，倒入高压反应釜中水热反应、冷冻干燥，即得到石墨烯增强硅-碳复合材料。

作为优选方式，步骤(2)中的中间碳层的碳源与硅粉的质量比为1:5。实验证明，这样的比例做出的电池性能最佳。图6为步骤(2)中间碳层的碳源与硅粉的质量比1：5时制备的硅粉外部包覆中间碳层的材料作为负极材料的充放电曲线示意图。该质量比制备的硅粉外部包覆中间碳层的材料组装的锂离子电池首次放电比容量达到2454mAhg^-1，首次充电比容量为2132.6mAhg^-1，首圈库伦效率达到了惊人的87％，十次充放电之后充电比容量在1200mAhg^-1。

作为优选方式，步骤(3)中包覆中间碳层的粉末与氧化石墨烯的质量比为10:1。实验证明，这样的比例做出的电池性能最佳。

作为优选方式，所述中间碳层的碳源若为葡萄糖，步骤(2)中煅烧时的温度为600℃，煅烧时间为6h；若中间碳层的碳源为聚偏氟乙烯，步骤(2)中煅烧时的温度为500℃，煅烧时间为4h。