[发明专利]一种石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用，属于锂离子电池材料技术领域。该制备方法为：先将可膨胀石墨与强氧化剂混合球磨处理，然后将处理过的可膨胀石墨、高铁酸钾、硅粉混合进行球磨，最后过滤、洗涤、干燥得到石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料。本发明所得材料可用于锂离子电池负极，具有较高比容量、长周期循环性能较好以及优异的倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用。

背景技术

当前，由于能源问题和环境问题的日益突出，人们迫切需要一种很有前途的新能源。同时锂离子电池具有高电压、高能量密度、高安全性、低自放电率等的优点，受到了人们极大的关注。在电动汽车、太阳能储能电池、储能电站、智能手机、手提电脑等应用领域，需要锂离子电池具备有高容量性、高倍率性、高稳定性、高安全性和高的一致性，因此设计、合成具有高可逆容量、优良的倍率性能、超长的循环寿命和廉价的锂电池负极材料是锂离子电池的发展方向之一。硅具有理论容量约为4200mAh g^-1，为石墨负极材料(372mAh g^-1)的十一倍，相对低的工作电位(对锂电位为0.5V)，储存量大和环境友好的特点，使它成为未来最具潜力来取代石墨的材料。

但是，锂和硅的电化学合金化反应，导致在嵌锂过程中，硅的体积膨胀高达300％，而且脱锂过程中巨大的体积收缩产生的压力会导致硅材料的破碎和粉化，最终引起电子接触点的减少和容量的衰减；重复的体积膨胀和收缩也会导致硅材料表面无法形成稳定SEI膜，从而出现低的库伦效率和容量衰减。因此，抑制硅材料的体积膨胀是提高其电化学性能的重要手段。

本发明人工设计、合成了石墨烯和四氧化三铁双重包覆硅纳米颗粒以提高材料的电化学性能。本发明通过简单的球磨工艺，成功合成了石墨烯和四氧化三铁双重包覆硅纳米颗粒。当用于锂离子电池负极材料时，石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料具有优异的循环稳定性和倍率性能，在200mA g^-1的电流密度下循环50圈后，材料能保持872mAh g^-1～1600mAh g^-1的可逆容量，在2A g^-1的电流密度下循环200圈，材料依然能保持600～801mAh g^-1的可逆容量。本发明具有工艺简单、原料廉价易得、成本低、环境友好、效率高等优势，可以大规模工业应用。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明首要目的是提供一种石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料。

本发明另一目的是提供上述石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料的低成本、高效率、可大规模制备的方法。

本发明再一目的是提供上述石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料作为高性能锂离子电池负极材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现。

一种石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料的制备方法，该方法为球磨法，具体包括以下步骤：

(1)称取可膨胀石墨与强氧化剂，加入锆球(磨介)，球磨，然后稀酸洗，过滤，干燥得到石墨烯纳米片；

(2)称取步骤(1)中石墨烯纳米片、高铁酸钾、硅粉，加入锆球(磨介)，球磨；

(3)然后将产物分离、过滤、洗涤、干燥得到了石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料。

优选的，步骤(1)所述强氧化剂为三价钴盐、过氧化物、重铬酸钾、高锰酸钾、氯酸盐和高铁酸钾中的一种以上，所述稀酸为稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸和稀磷酸中的一种以上。

优选的，步骤(2)所述硅粉为微米级硅和纳米级硅中的一种以上。