[发明专利]一种硅碳复合薄膜电极及锂离子电池

说明书

本发明涉及一种硅碳复合薄膜电极及锂离子电池。该硅碳复合薄膜电极的制备包括：1)采用气相沉积法在铜箔表面沉积石墨烯，对石墨烯进行表面氧化处理；2)制备石墨烯/硅烷复合材料；3)将石墨烯/硅烷复合材料在保护气氛下煅烧，得到石墨烯/一氧化硅复合材料；4)以石墨烯/一氧化硅复合材料为工作电极，铂电极为对电极进行电化学沉积。本发明提供的硅碳复合薄膜电极，通过酰胺化反应在石墨烯表面以化学键结合的方式引入氨基硅烷，再通过碳化得到导电率强、结构稳定的石墨烯/一氧化硅复合材料，然后通过电化学沉积过程，实现材料的预锂化，改善材料的首次效率并降低副反应的发生。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极领域，具体涉及一种硅碳复合薄膜电极及锂离子电池。

背景技术

目前市场化的锂离子电池主要以磷酸铁锂电池、三元材料电池为主，其大都采用石墨负极材料，存在的主要问题是比容量偏低，难以满足市场对高比能量密度锂离子电池的需求。

硅基负极材料由于具有丰富的储量和超高的理论比容量，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料。但是，硅基负极材料在实际使用过程中也存在较为明显的缺点，主要表现在：(1)在电池充放电过程中体积膨胀高达300％，易造成材料粉化，丧失与集流体电接触，导致其循环性能迅速下降；(2)硅作为半导体材料，导电性能比石墨负极差很多，锂离子脱嵌过程中的不可逆程度大，导致硅基负极材料的首次库伦效率低，影响电池的正常容量发挥。

公布号为CN103367727A的中国专利申请公开了一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法，该硅碳负极材料包括纳米硅、石墨聚合体和有机物裂解碳，石墨聚合体由颗粒状石墨组成，纳米硅嵌夹在颗粒状石墨空隙之间或附着在颗粒状石墨的表面，有机物裂解碳包覆纳米硅/石墨聚合体。该硅碳负极材料在制备时，是先将纳米硅、分散剂、粘结剂和颗粒状石墨在有机溶剂中混合，干燥得到复合纳米硅/石墨聚合体；再将复合纳米硅/石墨聚合体加入至碳源前驱体的分散液中，经混合、干燥、热处理，得到硅碳负极材料。采用上述混合、包覆方法制备的硅碳负极材料虽然在一定程度上改善了导电性，但硅碳之间多以物理混合状态存在，负极的结构稳定性欠佳，在经过一定的充放电循环后，电池的循环性能下降较快。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅碳复合薄膜电极，从而解决现有硅碳负极的结构稳定性有待改善的问题。

本发明还提供了基于上述硅碳复合薄膜电极的锂离子电池，从而解决现有锂离子电池的循环性能差的问题。

为实现上述目的，本发明的硅碳复合薄膜电极所采用的技术方案是：

一种硅碳复合薄膜电极，由包括以下步骤的方法制备而成：

1)采用气相沉积法在铜箔表面沉积石墨烯，然后通入氧气对石墨烯进行表面氧化处理，得到铜基富氧石墨烯薄膜；

2)将氨基硅烷、金属氯化物在溶剂中分散均匀，得到氨基硅烷液；

将铜基富氧石墨烯薄膜置于氨基硅烷液中，在50-150℃下反应1-12h，制备石墨烯/硅烷复合材料；

3)将石墨烯/硅烷复合材料在保护气氛下于500-800℃煅烧1-6h，得到石墨烯/一氧化硅复合材料；

4)以石墨烯/一氧化硅复合材料为工作电极，铂电极为对电极，在含有二氟草酸硼酸锂的电解液中进行电化学沉积，即得。

本发明提供的硅碳复合薄膜电极，通过酰胺化反应在石墨烯表面以化学键结合的方式引入氨基硅烷，再通过碳化得到导电率强、结构稳定的石墨烯/一氧化硅复合材料，然后通过电化学沉积过程，实现材料的预锂化，改善材料的首次效率并降低副反应的发生；以该方法制备的薄膜电极具有比容量高、导电性强及循环性能优异等特性，可有效应用到高比能量锂离子电池中。