[发明专利]一种锂离子电池硅@石墨烯/CVD碳复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池硅@石墨烯/CVD碳复合负极材料及其制备方法和应用，硅@石墨烯/CVD碳复合负极材料由石墨烯增强CVD碳复合层包覆硅纳米颗粒构成，其制备方法是在硅纳米颗粒表面修饰氨基丙基三甲氧基硅烷后，与石墨烯分散液搅拌混合，再进行离心洗涤及冷冻干燥处理，得到硅@石墨烯复合材料；所述硅@石墨烯复合材料通过CVD沉积碳后，即得硅@石墨烯/CVD碳复合材料。该复合材料作为锂离子电池负极材料应用，不但大幅度提高锂离子电池充放电效率，且延长其使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，尤其是涉及一种硅@石墨烯/化学气相沉积(CVD)碳复合负极材料，还涉及其制备方法和作为锂离子电池负极材料的应用，属于电池技术领域。

背景技术

锂离子电池由于具有高电压、高比能量、长循环寿命和对环境友好等特点，成为便携式电子、移动产品、电动汽车的理想配套电源。由于电子产品小型化、高能量密度化、便携化的发展需求，尤其是智能手机和新能源电池的的发展，对锂离子电池的能量密度要求越来越高，对锂离子电池性能的改善主要取决于嵌锂材料能量密度和循环寿命的提高，而目前以石墨等材料为负极的锂离子电池的理论容量仅有375mAh g^-1。远远不能满足人们日常生活中对储能设备的需求，开发新型高性能负极材料已成当务之急。研究发现，将硅基材料应用于锂离子电池负极具有极高的比容量，其理论容量可以达到4200mAh g^-1,因此将硅基材料作为锂离子电池负极材料受到越来越多的关注。

但是，在采用硅材料作为锂离子电池的负极，在电池充放电的循环过程中，Li-Si合金的可逆生成与分解将会伴随着巨大的体积变化，从而会引起硅负极材料的粉化和开裂，导致材料结构的崩塌和电极材料的脱落，进而导致电极材料与导电网络脱离，内阻增加，导致可逆容量迅速衰减，造成硅负极锂离子电池的循环性能的急剧下降；同时由于副反应的发生，在充放电过程会产生大量的气体，容易导致电池的内部胀气。针对上述问题，研究者们积极探索提高硅负极材料循环性能的方法，如降低硅材料颗粒粒径、形成多孔材料、硅薄膜材料、硅纳米线、硅复合材料等。其中比较有效的方法是制备成硅基复合材料来缓解在充放电过程中的体积膨胀，此方法已经广泛应用于锂离子电池负极材料的改性研究中。

中国专利公开号CN180094A公开了一种石墨烯包覆硅负极材料及制备方法，本方法是采用静电自组装的方法将石墨烯包覆在硅负极材料表面，由于石墨烯具有优良的导电性且其在硅表面可以起到限制硅粒子体积膨胀的作用，从而可以提高石墨烯包覆硅负极锂离子电池的储锂比容量和电池循环性能。

中国专利公开号105024076A公开了一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用，材料分为两层：碳核心层和硅包覆层，碳核心层由中层的硅层所包覆形成硅/碳复合材料，硅/碳复合材料的外层再包覆一层金属氧化物从而可以有效的缓解硅材料的膨胀，从而提高了电池材料的循环性能。

中国专利公开号CN180094A公开了一种硅/碳核壳结构纳米复合材料的制备方法，通过硅外层的碳结构从而阻止硅粒子的粉化，且避免放电过程中可能的硅粒子团聚，从而提高材料循环性能。

但是以上所述的方法均不能从根本上解决硅材料负极锂离子电池在充放电过程中体积的急剧膨胀，所以，一种行之有效且经济环保的方法亟待提出以提高电池比容量和循环稳定性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的是在于提供一种具有石墨烯增强CVD热解碳包覆层的硅纳米颗粒复合材料，该复合材料利用CVD热解碳沉积在硅表面、石墨烯表面以及硅@石墨烯复合材料的空隙中间，在硅纳米颗粒表面形成一层全封闭的碳包覆层，使其在锂离子电池充放电过程中，电极材料锂化速率提高3～4.5倍，提高了充放电效率，同时硅纳米颗粒表面的片状石墨烯增强CVD热解碳结构具有较强的机械强度高，进一步减小了硅纳米颗粒因体积膨胀而粉化的可能性，增加了锂离子电池使用寿命。

本发明的第二个目的是在于提供一种操作简单、低成本、易于工业化生产的制备锂离子电池硅@石墨烯/化学气相沉积碳复合负极材料的方法。