[发明专利]一种石墨烯包覆硅复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池负极材料领域，公开了一种石墨烯包覆硅复合材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下制备步骤：将氧化石墨在去离子水中超声剥离分散形成氧化石墨烯悬浮液；将Si粉与Zn粉混合后球磨并分散在去离子水中得到Si@Zn颗粒混合液；将Si@Zn颗粒混合液与氧化石墨烯悬浮液混合，常温下搅拌反应得到Si@ZnO_x@RGO，然后用酸浸泡除去ZnO_x，洗涤烘干得到Si@RGO复合材料。本发明所得Si@RGO复合材料在抑制硅的体积变化的同时还能增加复合材料的导电性，具有优良的循环稳定性与倍率放电性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种石墨烯包覆硅复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

进入21世纪，能源短缺和环境污染问题日趋严重，各种高能电池和燃料电池的开发利用迫在眉睫。与其他二次电池相比，锂离子电池具有单位比容量大、工作电压高、循环寿命长、安全性好、无记忆效应等优点。但是目前的锂离子电池技术还不能满足持续增长的能量密度需求，如纯电动车和混合电动车等，这就迫切需求研发出更高能量密度、更高功率的电池以满足当前需求。目前商业化的锂离子电池负极材料主要采用石墨材料，但石墨存在着比容量低(理论比容量为372mAh/g)、首次充放电效率低、电解液共嵌入等问题，这极大地限制了高性能锂离子电池的进一步发展，因此需要开发新型高效材料来替代石墨负极，如锡基材料、硅基材料、金属化合物和新型合金材料等。

硅作为锂离子电池负极材料的最大优势在于其突出的理论比容量(4200mAh/g)且天然储量丰富。但是，硅材料在锂离子脱嵌锂过程中会发生巨大的体积膨胀(300％)，硅相内部产生很强的伸缩应力，导致电极材料粉化，使得活性物质和集流体之间的电接触下降，最终导致容量和循环寿命迅速衰减，从而在很大程度上阻碍了硅基材料的商业化应用。目前，对于高容量硅负极材料的改性主要包括纳米化、合金化、表面改性、掺杂、复合等方法形成包覆结构或高度分散的复合体系，通过提高材料的力学性能、结构完整性以及导电性能等，以缓解脱嵌-嵌入锂离子过程中体积膨胀产生的内应力对材料结构的破坏，从而提高硅负极的电化学循环稳定性和倍率性能。作为一种二维单原子层厚度的碳原子晶体，石墨烯材料因优异的导电性、热传导性、化学/热稳定性、力学性能和高比表面积等优点广受学术界与工业界的关注。因此，将石墨烯与硅进行合理复合，机械稳定的石墨烯能够有效抑制硅的体积膨胀，同时改善复合材料的导电性，从而增强复合材料的循环稳定性和电化学性能(Wang,B,et al.,Adv.Mater.2013,25,3560)。