[发明专利]含有在石墨烯泡沫孔中原位生长的硅纳米线的锂离子电池阳极以及生产方法

权利要求书

1.一种用于生产用于锂离子电池的阳极或负电极的方法，所述阳极包括由多个孔和孔壁构成的固体石墨烯泡沫和位于所述孔中的硅(Si)纳米线，所述方法包括：

(a)将催化剂金属涂覆的Si颗粒、石墨烯片和任选的发泡剂分散在液体介质中以形成石墨烯/Si分散体，其中所述Si颗粒具有从0.2μm至20μm的粒径并且所述催化剂金属呈沉积在所述Si颗粒表面和任选地沉积在石墨烯片表面上的具有的直径为从0.5nm至100nm的纳米颗粒或具有的厚度为从1nm至100nm的薄涂层的形式，并且其中所述Si颗粒含有具有按重量计至少99.9％的Si元素的纯Si或其中具有按重量计从70％至99.9％的Si的Si合金或混合物；

(b)将所述石墨烯/Si分散体分配和沉积到支撑基材的表面上以形成湿石墨烯/Si混合物层，并且从所述湿石墨烯/Si混合物层中部分或完全地除去所述液体介质以形成干燥的石墨烯/Si混合物材料层；并且

(c)使所述干燥的石墨烯/Si混合物层暴露于高温环境，包括从100℃至2,500℃的温度，持续一段时间，所述时间足以从所述石墨烯片诱导挥发性气体分子或活化所述发泡剂以产生所述石墨烯泡沫，并且同时能够实现在所述石墨烯泡沫的孔中从作为进料材料的所述Si颗粒发出的多个Si纳米线的催化剂金属催化的生长以形成所述阳极电极层，其中在所述孔内原位形成所述Si纳米线；其中所述Si纳米线具有从2nm至100nm的直径和至少5的长度与直径纵横比，并且基于组合的所述石墨烯泡沫和所述Si纳米线的总重量，所述Si纳米线的量为按重量计从0.5％至99％，其中至少所述Si纳米线中的一些在每个所述Si纳米线的两端之一处与所述孔壁化学结合。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯片含有具有按重量计小于0.01％非碳元素的原生石墨烯材料或具有按重量计0.01％至50％非碳元素的非原生石墨烯材料，其中所述非原生石墨烯选自下组，该组由以下组成：氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、氟化石墨烯、氯化石墨烯、溴化石墨烯、碘化石墨烯、氢化石墨烯、氮化石墨烯、掺硼石墨烯、掺氮石墨烯、化学官能化石墨烯、及其组合。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯片的表面也沉积有所述催化剂金属，并且Si纳米线也从所述石墨烯表面生长和发出。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述分配和沉积工序包括使所述石墨烯/硅分散体经受取向诱导应力。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述多个孔中的一些容纳有所述Si纳米线，并且其他孔不含Si，并且所述石墨烯泡沫是足够弹性的以调节在电池充电-放电循环期间所述Si纳米线的体积膨胀和收缩，以避免所述阳极层的膨胀。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯片选自以下项的单层片或少层片晶：原生石墨烯、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、氟化石墨烯、溴化石墨烯、碘化石墨烯、掺硼石墨烯、掺氮石墨烯、化学官能化石墨烯、或其组合，其中少层被定义为少于10层的石墨烯平面。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述Si颗粒具有从0.5μm至5μm的直径。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂金属涂覆的Si颗粒通过以下步骤生产：通过物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、等离子体沉积、激光烧蚀、等离子体喷涂、超声波喷涂、印刷、电化学沉积、电极镀、无电极镀、化学镀、或其组合的工序在Si颗粒表面上沉积催化剂金属。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂金属选自下组，该组由以下组成：Cu、Ni、Co、Mn、Fe、Ti、Al、Ag、Au、Pt、Pd、或其组合。

10.如权利要求3所述的方法，其中所述催化剂金属通过包括以下的工序沉积在Si和石墨烯片表面上：(a)将催化金属前体溶解或分散在液体中以形成前体溶液，(b)使所述前体溶液与所述石墨烯片表面和所述Si颗粒表面接触，(c)除去所述液体；并且(d)将所述催化金属前体化学或热转化为所述催化剂金属涂层或纳米颗粒。