[发明专利]一种石墨烯/硅复合材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯/硅复合材料及其制备方法、锂离子电池，属于锂离子电池材料制备领域。

背景技术

随着市场对电动车续航里程要求的提高，要求电动汽车所配锂离子电池具有更高的能量密度以满足市场要求，而负极材料又是组成锂离子电池的关键材料，其性能的优劣对锂离子电池的能量密度、安全性能及其使用寿命产生重要影响。目前市场上所用的锂离子电池负极材料主要以石墨类材料为主，但是其克容量偏低限制其锂离子电池能量密度的提高。而硅碳负极材料以其克容量高、资源丰富等优点而受到研究者的重视，并应用于高比能量密度锂离子电池等领域，但是其膨胀率高、导电性偏差成为制约其广泛应用。目前降低硅材料的膨胀措施主要方法有：1)在硅材料表面包覆碳材料，降低其材料膨胀率；2)制备出孔状模板，并将纳米硅材料嵌入孔洞中，降低其膨胀率；3)包覆膨胀率高、导电性强的材料，比如石墨烯、碳纳米管等材料，以降低其硅材料的膨胀率及其导电性。

申请公布号为CN 105576242A的中国发明专利一种石墨烯电池，采用的是用氧化石墨烯与纳米硅液相混合制备氧化石墨烯/纳米硅材料，再通过高温热还原制备石墨烯/纳米硅复合材料，虽然在比容量方面得到提高，但是由于硅材料与石墨烯分散均匀性差及其硅材料的大膨胀系数，其循环性能并未得到明显改善。

申请公布号为CN 106099061A的中国发明专利一种多孔石墨烯/硅复合材料、其制备方法及锂离子电池公开了一种多孔石墨烯/硅复合材料的制备方法，具体为将氧化石墨烯的水溶液、纳米硅粉、去离子水、表面活性剂和有机溶剂混合，经水热反应得到石墨烯/硅复合凝胶；将所述石墨烯/硅复合凝胶烘干、冷冻干燥、热处理得多孔石墨烯/硅复合材料。该专利方法得到的多孔石墨烯/硅复合材料首次放电比容量高，但是其循环性能欠佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/硅复合材料的制备方法，该方法得到的石墨烯/硅复合材料能够显著提高锂离子电池的能量密度及循环性能。

本发明的第二个目的在于提供一种石墨烯/硅复合材料。

本发明的第三个目的在于提供一种锂离子电池。

为实现上述目的，本发明石墨烯/硅复合材料的制备方法的技术方案是：

一种石墨烯/硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将硅烷化合物、氧化石墨烯溶液、氮源于120～150℃反应1～6h，得水凝胶A；所述硅烷化合物、氧化石墨烯、氮源的质量比为10～30:1～10：1～5；

2)将水凝胶A进行真空冷冻干燥，得材料B；

3)将材料B在惰性气氛下于300～400℃保温1～6h，然后于800～900℃保温1～6h，冷却即得。

所述硅烷化合物、氧化石墨烯溶液、氮源于120～150℃反应前先超声分散均匀。所述超声分散均匀使硅烷化合物、氧化石墨烯溶液、氮源充分混合、均匀分散，较单独将纳米硅材料掺杂在氧化石墨烯溶液中分散更均匀、结合力更强。

步骤1)中的反应在高压反应釜中进行。

所述硅烷化合物为水性硅烷化合物。

步骤1)中反应1～6h后过滤，得水凝胶。所述水凝胶为块状水凝胶。在水热反应条件下，氮源、硅烷气化分解，并与氧化石墨烯表面的羟基、羧基结合，沉积于表面，之后冷却，得到水凝胶。通过水热反应将水性硅烷化合物、氮源掺杂进氧化石墨烯间，进而均匀的将硅化合物、氮均匀掺杂进石墨烯表面及其层间。

所述水性硅烷化合物为氨基硅烷、烷氧基硅烷、酰氧基硅烷、肟基硅烷中的任意一种。

上述氨基硅烷为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、双[(3-三乙氧基甲硅烷基)丙基]胺、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷、氨乙基氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基甲基二乙氧基硅烷、氨乙基氨甲基三乙氧基硅烷、氨乙基氨甲基甲基二乙氧基硅烷、二亚乙基三氨丙基三甲氧基硅烷、二亚乙基三氨丙基三乙氧基硅烷、二亚乙基三氨丙基甲基二甲氧基硅烷、二亚乙基三氨丙基甲基二乙氧基硅烷、二亚乙基三氨甲基甲基二乙氧基硅烷、二乙基氨甲基三乙氧基硅烷中的任意一种。