[发明专利]一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法，属于储能材料技术领域。本发明将氧化石墨烯依次与异氰酸酯、叠氮化钠的二甲基甲酰胺溶液、氢化铝锂、浓盐酸进行反应，制得水解还原氧化石墨烯，再将水解还原氧化石墨烯等分为两份后，分别与硅酸酯及铁盐反应，分别制得浓缩酸性分散液和浓缩碱性分散液，再将两者进行混合，制得干燥滤饼后，于高温条件下反应，再经氢氟酸的清洗，制得高能石墨烯电池负极材料。本发明所得产品应用于电池负极材料中，具有优异的循环稳定性，经过多次充放电循环测试后，电化学性能和体积膨胀率都保持在较优水平。

技术领域

本发明公开了一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法，属于储能材料技术领域。

背景技术

石墨烯是一种二维碳基材料，因其优异的导电性、较高的载流子迁移率和超大的比表面积，受到研究者的广泛关注。石墨烯比石墨拥有更优秀的储锂能力，有效地解决了石墨的质量能量密度限制问题，这是因为锂离子可以储存在石墨烯晶粒、边缘和不同类型的缺陷结构中。另外，由于更快的界面动力学，高比表面积的石墨烯相比于石墨也改善了倍率性能。

硅具有最高的理论比容量，但是硅颗粒较大的体积膨胀和较低的电导率，限制了硅的循环性能和倍率性能，更重要的是，硅颗粒表面随着严重的体积膨胀，会产生新的不可逆的SEI膜。不断形成的SEI膜会大量消耗电解质，最终导致电池性能的迅速衰减。

为了增强硅负极的导电性、抑制硅在脱嵌时的体积变化以及防止电解液副反应，硅碳复合是最常见的解决方法之一。碳材料的选择多种多样，具体可分为石墨、无定形碳、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯等。

石墨和硅的复合常见的复合方法有CVD法，机械球磨法和喷雾造粒法等。CVD法可在石墨的内部或表面沉积纳米硅，得到高倍率性能的复合材料。机械球磨法除了可以将硅和石墨复合，还具有可减小材料尺寸，成本较低等优点。而喷雾造粒法是通过加热和高压喷枪使浆料雾化，随后快速干燥通过微粒间的毛细管力使物料复合，该方法同样适合规模化生产，并且相对于机械球磨法，物料间的结合力更强。

但是上述采用的各种制备方法中，石墨和硅之间相互作用力较弱，在电池充放电过程中，硅和石墨之间容易发生脱嵌，最终导致电池性能衰减，因此，开发一种可保持长期电化学性能稳定的负极材料，是行业内迫切需要解决的难题。

发明内容

针对现有石墨烯和硅复合负极在电池长期循环过程中，硅和石墨之间容易发生脱嵌，最终导致两者之间发生分离，引起电池性能衰减的弊端，提供了一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法，具体制备步骤为：

(1)将氧化石墨烯和异氰酸酯按质量比为1：20～1：100混合，加热反应后，过滤，干燥，得一次处理氧化石墨烯；

有益效果为：氧化石墨烯结构中，在单个片层的面内有羟基和环氧基，而在边缘处含有羧基，而异氰酸酯的加入，可以和其结构中的羟基及羧基反应，异氰酸酯与羟基反应生成氨基甲酸酯，而与羧基反应生成酰胺基和二氧化碳，二氧化碳的产生有利于拓宽氧化石墨烯的层间结构，从而使反应进一步充分进行；异氰酸酯的引入，是作为后续反应可以充分进行的保障；

(2)将一次处理氧化石墨烯和叠氮化钠的二甲基甲酰胺溶液按质量比为1：10～1：100混合，加热反应后，过滤，干燥，得二次处理氧化石墨烯；

有益效果为：利用叠氮化钠和氧化石墨烯结构中的环氧基反应，并生成叠氮基；

(3)将二次处理氧化石墨烯分散于四氢呋喃中，再加入氢化铝锂，加热搅拌反应后，过滤，干燥，得还原氧化石墨烯；