[发明专利]一种石墨/硅/石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池负极材料领域，特别公开了一种石墨/硅/石墨烯复合材料及其制备方法。该石墨/硅/石墨烯复合材料，其特征在于：所述复合材料为三层夹心结构，由内到外依次为石墨、纳米硅和石墨烯；三层结构的重量配比为，石墨80‑90%、纳米硅1‑5%、石墨烯5‑19%。本发明将石墨与石墨烯共同与硅进行复合制备处具有三层夹心结构的石墨/硅/石墨烯复合材料，纳米硅被固定在石墨和石墨烯之间，以内层石墨作为骨架制成，外层石墨烯作为缓冲层，这一特殊结构的设计改善了硅材料在充放电过程中的体积效应，提高了材料的首次效率和循环性能。

（一）技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料领域，特别涉及一种石墨/硅/石墨烯复合材料及其制备方法。

（二）背景技术

锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜以及其他辅材构成，正、负极材料的比容量直接决定了电池的能量密度。石墨作为锂离子电池负极材料时的理论比容量为372mAh/g，目前适用的商业化石墨已经超过360mAh/g，非常接近其理论值，已无明显提升空间。想要进一步提升电池能量密度，必须采用新型负极材料。硅与金属锂形成合金时可以生成Li₂₂Si₅，此时材料的比容量可以达到4200mAh/g，远高于市场上以石墨为主流的负极材料。在日益追求高能量密度的锂电池市场，硅负极材料极具吸引力。然而，超过300%的体积膨胀会造成循环性能恶化，严重限制了该材料的发展和实际应用。

研究表明，将硅与石墨或石墨烯复合制备成硅/石墨或硅/石墨烯复合材料，可以缓冲硅嵌脱锂时严重的体积变化，使整体电极的体积变化控制在合理的范围内，在保持硅高容量的同时，提高其循环稳定性。例如，专利201110446233.0中通过镁热还原反应制备硅/石墨烯复合材料用于锂离子电池负极，抑制了硅材料的体积，改善了复合材料的循环性能；专利201010561749.5制备了具有层状三明治结构的硅/石墨烯复合材料，该复合材料具有良好的导电性、功率性能、电化学活性和循环稳定性；专利201410528065.3通过球磨、表面羟基化再用硅烷偶联得到了硅/石墨复合材料，有效提高了所制备的负极材料的库伦效率和循环稳定性。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构简单、制备容易、产品性能好的石墨/硅/石墨烯复合材料及其制备方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种石墨/硅/石墨烯复合材料，其特征在于：所述复合材料为三层夹心结构，由内到外依次为石墨、纳米硅和石墨烯；三层结构的重量配比为，石墨80-90%、纳米硅1-5%、石墨烯5-19%。

硅与石墨烯复合是利用石墨烯的高机械强度、高电导性，硅与石墨复合则主要是利用石墨的缓冲作用和石墨本身具有的容量特性。因此，本发明在以上基础上将石墨与石墨烯共同与硅进行复合，同时利用石墨与石墨烯的优势对硅材料进行改性。

本发明的更优技术方案为：

所述石墨为天然石墨、人造石墨、石墨化的中间相炭微球中的一种或多种。

所述石墨的粒径为5-100微米，纳米硅的粒径为2-100纳米，石墨烯的粒径为2-50微米。

所述的石墨/硅/石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将石墨烯粉末、分散剂加入到NMP溶液中，超声振荡使其分散均匀，得到石墨烯分散液；

（2）向混合机中依次加入纳米硅、沥青、石墨，在搅拌条件下加热，得到石墨/硅复合材料；

（3）将石墨烯分散液与石墨/硅复合材料在混合机中继续搅拌，取得的物料经干燥、煅烧、粉碎、分级，即可得到石墨/硅/石墨烯复合材料。

其优选的是：