[发明专利]一种石墨改性方法及石墨/硅复合材料

说明书

技术领域

本发明属于石墨的改性技术领域，具体涉及一种石墨改性方法及石墨/硅复合材料。

背景技术

石墨由于其优异的导电性、导热性和电化学特性常被用作基底和骨架材料，并与其他材料形成复合材料，实现特殊的复合材料特性和功能。电解、电沉积等电化学方法能够有效保证不同材料间的电接触，常被用于复合材料的制备。在利用电化学方法制备石墨基复合材料时，人们发现其他材料在石墨表面的形核和生长只能在石墨表面少数特定的一些部位进行(Science,2000,290,2120；J.Phys.Chem.B.,2003,107,451)。为实现其他材料在石墨表面的大量形核和生长，需要对石墨进行改性处理，改变其表面结构和电化学特性。

空气、水蒸气、KOH等化学物质常被用于石墨的表面改性处理，但是一般需要较高的温度。如CN105552330A公开了一种高温氧化处理改性石墨的方法，包括以下步骤：将石墨置于含有氧气的气氛中，对石墨进行高温氧化处理；通过控制氧气浓度、反应温度、反应时间得到经过表面处理的石墨。然而该方法的反应温度高达500℃-800℃，而且氧化处理过程中石墨存在较多损失，造成整体成本较高。

另外，浓硝酸、浓硫酸等强氧化剂也可用于石墨的表面处理，如CN1539887A、CN104882609A、CN106829949A等中公开的方法，然而此种方法的工艺流程环保程度较低，且后续需要繁琐的清洗流程。另外，还有等离子体轰击等方法(Applied Physics Letters,1999,75,193-195)，此种方法对石墨表面的粗化效果较好，然而整体成本较高，也不利于工业上大规模应用。

近年来，机械球磨由于成本低、工艺简单成为一个研究的热点。如CN103811759A公开了一种天然石墨球磨机械改性方法及改性天然石墨负极材料，所述方法包括：将磨球、球磨介质和石墨粉原料按质量比(0.5～20)：(0.1～10)：1加入至球磨罐中，在球磨设备上以不超过600r/min的转速球磨2～120min，然后去除球磨介质、干燥。该发明获得的改性石墨直接用作负极材料，其电化学性能并不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于球磨的石墨改性方法。该方法具备设备成熟、工艺简单、利于工业化大规模应用等特点。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石墨改性方法，过程如下：将质量比为1:1～10:7～50的石墨粉、磨球、球磨介质加入到球磨设备的料罐中，以650～1200r/min的转速球磨2～48h。

本发明旨在将石墨改性提升其表面电化学活性，使其用作电沉积、电解等方法中的基底和组分之一时，促进其他物质在其表面的形核和生长，采用更高的转速，增强磨球与石墨的碰撞，增强改性效果。本发明提供的球磨改性石墨的方法工艺简单，球磨后的产品制备的电极材料具有优异的电化学性能。

在一些优选实施方式中，球磨转速为900-1200r/min时获得产品的电化学效果更佳，在一些优选实施方式中，球磨转速为950-1100r/min时获得产品的电化学效果进一步提高，在一些优选实施方式中，球磨转速为1000r/min时获得产品的电化学效果最佳。在一些优选实施方式中，以900～1200r/min的转速球磨6～48h，以900～1200r/min的转速球磨9～24h，以950～1100r/min的转速球磨6～48h，以950～1100r/min的转速球磨9～24h，以1000r/min的转速球磨6～48h，以1000r/min的转速球磨9h所得产品电化学性能优异。

作为优选，所述石墨粉的粒径为1～20μm。石墨粉的平均粒径优选为2-5μm时，获得材料的电化学性能更佳，粒径3.5μm时最佳。

作为优选，所述磨球为不锈钢球、刚玉球、氧化锆球、玛瑙球中的1种或2种以上的组合。

作为优选，所述球磨介质为去离子水和/或乙醇。

作为优选，所述球磨设备为行星式球磨机、卧式球磨机、细磨机中的1种或2种以上的组合。

本发明的目的之一还在于提供一种石墨/二氧化硅多孔电极，通过包括如下步骤的方法制备得到：(1)将经过本发明的石墨改性方法处理后的石墨粉与球磨介质的混合物、二氧化硅分散均匀，并干燥、粉碎后得到石墨/二氧化硅的混合物粉体；(2)将步骤(1)所得石墨/二氧化硅的混合物粉体压制成型为石墨/二氧化硅多孔块体材料后切割得到石墨/二氧化硅多孔电极。