[发明专利]多孔硅/石墨烯复合的锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种多孔硅/石墨烯复合的锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

随着社会的进步以及各国对环境保护的逐渐重视，人们对新能源的需求量也在逐年上升。锂离子电池克服了传统二次电池开路电压低、能量密度低、污染环境等缺点，以其工作电压高、自放电小和比容量高等优点成为人们研究的热点。

锂离子电池的核心部分是正负极电极材料，它直接决定着电池的电化学性能。但现实中已经广泛应用的锂离子电池仍不能很好的满足人们的要求，存在着倍率性能、安全性能、能量密度等方面的缺陷。目前，最常见的商业锂电池负极材料主要是碳类材料，它具有较高的比容量、较稳定的循环性能和安全无污染等优点，但碳的容量己经非常接近其理论容量 (372 mAh/g)，比容量的开发潜力小，且电池在过充时存在一定的安全隐患，因此迫切需要开发出一种高比容量和高安全性的锂离子电池负极材料。石墨烯基于其自身特殊的结构，在机械性能、热学性能及电传导性等方面性能突出，对锂电池储锂性能的研究有着重要的意义。硅的理论储锂比容量为4200 mAhg^-1，在所有能够合金化储锂的元素中最高，作为负极材料可以大幅度提高电池的能量密度，但其导电性远比石墨等碳材料要差，且硅材料在锂化和去锂化过程中体积发生巨大变化(＞300%)，容易导致活性物质在充放电时发生急剧粉化脱落，使得电极材料和集流体之间丧失接触。因此，如何有效的解决硅材料体积膨胀和导电性不佳的问题尤为重要。实践表明，疏松多孔的硅结构能有效缓解体积膨胀带来的问题，有效提高电池的循环寿命，若将多孔硅与石墨烯进行有效的复合，二者优势互补，必将大大提高电池的性能。

现有技术中，多孔硅的制作一般采用化学腐蚀法、热还原法、模板法、电化学腐蚀法等方法来制备。这些方法往往操作复杂，不适合规模化生产，阻碍了硅负极材料的发展。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多孔硅/石墨烯复合的锂离子电池负极材料的制备方法，目的是得到一种在充放电过程中体积变化小且不易粉化，并且充放电性能优异的多孔硅/石墨烯负极材料，改善锂离子电池负极材料的缺陷。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）制备Al-Si合金：

将纯铝切成小块后，用砂纸去除表面的氧化皮，称取铝和硅，将烘干后的石墨坩埚放入电阻炉内，升温至500-700℃，放入铝块，待铝块熔化后，用铝箔包裹块状硅，烘干后用石墨钟罩将其压入铝液内，保持1-5min，取出钟罩，加盖保温15-35min后，用石墨棒搅拌1-3min使合金液均匀，扒渣后浇注到模具内制成棒状铝硅合金，铝硅合金中硅的重量含量为5%~25%；

（2）制作多孔硅：

将铝硅合金棒材切割成厚度为5-15mm的小片后放置于塑料容器中，向容器中添加过量的HCl 溶液以溶解铝硅合金中的铝，同时搅拌10-30分钟，整个过程在通风厨中进行，完全除去金属铝后，对容器中的物料进行抽滤洗涤，得到硅粉末；

将硅粉末导入塑料容器中，加入HF溶液对硅粉浸泡20-30分钟，同时进行搅拌，整个过程在通风厨中进行，浸泡后的物料经去离子水洗涤、过滤6-15次后，于80℃-200℃进行真空干燥，得到多孔纳米硅粉末；

（3）多孔硅/石墨烯负极材料的复合：

向多孔纳米硅中加入去离子水，并加入羧甲基纤维素钠（CMC），机械搅拌15-25min，直至多孔纳米硅颗粒完全呈悬浮状态得到多孔纳米硅颗粒悬浮液；

在去离子水中加入十二烷基硫酸钠和石墨烯，机械搅拌10-25min，直至石墨烯完全溶解，得到石墨烯悬浊液；

将上述多孔纳米硅颗粒悬浮液与石墨烯悬浊液混合，多孔纳米硅颗粒与石墨烯的质量百分比为：5%-30%多孔纳米硅，70-95%石墨烯，机械搅拌10分钟后进行超声波震荡，得到混合溶液，对混合溶液进行抽滤、洗涤至中性后，收集固体物料进行真空干燥；

将干燥后的物料置于管式加热炉中于750-900℃烧结5-9小时，烧结后自然冷却至室温，得到多孔硅/石墨烯复合的锂离子电池负极材料。

其中，所述的HCl 溶液质量浓度为15%。

所述的HF溶液质量浓度为5%-20%。

所述的CMC加入量占多孔纳米硅颗粒悬浮液总重量5%-10%。

所述的十二烷基硫酸钠加入量占石墨烯悬浊液总重量5%-10%，十二烷基硫酸钠和石墨烯的质量比为1:4。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：