[发明专利]片状-石墨烯@硅@无定型碳-三明治结构复合材料的制备方法及其产品和应用

说明书

本发明提供一种“片状‑石墨烯@硅@无定型碳‑三明治结构”复合材料的制备方法及其产品和应用，采用溶胶‑凝胶法、水热法和镁热还原法合成片状‑石墨烯@硅@无定型碳‑三明治结构复合材料，经过后续酸处理去掉氧化镁和硅化镁杂质得到纯净产物。片状材料可以更好的贴合粘结在基底上，保持更好的电接触，同时有助于解决电池材料脱落问题。循环测试表明“片状‑石墨烯@硅@无定型碳‑三明治结构”在0.2C倍率下经过100次循环比容量保持在1210 mAh g^‑1，具有较好的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种片状-石墨烯@硅@无定型碳-三明治结构复合材料的制备方法及其产品和应用，主要应用于锂离子电池负极材料领域。

背景技术

当前新能源汽车发展如火如荼，纯电动汽车的实用化和商品化主要受制于其核心部件动力电池的发展。动力锂离子电池的正极材料集中于磷酸铁锂和三元材料两大类，通过提高三元材料中镍的含量可以提高正极的比容量。锂离子电池负极材料很长一段时间以石墨为主，石墨片层间由分子间作用力结合，脱嵌锂离子非常容易，因此循环寿命很高，缺点是比容量只有372 mAh g^-1。硅（Si）具有4200 mAh g^-1的理论比容量，超高的理论比容量赋予了硅强大的电池应用潜力。

但是，硅材料本身具有一定的金属性质，它的储锂机理是“合金化反应”，电化学反应发生时与锂形成锂硅合金。Li₁₅Si₄是常温下储锂最多的一种锂硅合金，其带来的体积膨胀约为300％，而锂离子脱出后，体积基本恢复原样。这样剧烈的体积变化非常容易造成负极硅材料由于应力作用从集流体铜箔上脱落。

常规的解决硅体积膨胀的办法有：硅纳米化、包碳、制备多孔硅。硅的纳米化不仅可以减缓形变，还有效缩短了锂离子在固体中的传输距离，加快充电速度。包碳一方面可以增加硅材料的导电性，另一方面可以在一定程度上抑制硅体积膨胀。这里，我们制备出一种“片状-石墨烯@硅@无定型碳-三明治结构”，融合了硅纳米化和包碳两种方法，纳米尺寸的硅来源于正硅酸乙酯水解后形成的纳米尺度的二氧化硅。同时得到的复合材料是以“片状”形式存在，在石墨烯存在的条件下，片状石墨烯充当了模板的作用，二氧化硅直接以纳米颗粒形式聚合在片状石墨烯上，随后葡萄糖被水热碳化包覆在最外层形成“片状-石墨烯@硅@无定型碳-三明治结构”。片状材料与集流体和片状材料本身之间的贴合效果远远优于颗粒材料，这将有效避免材料因应力作用从集流体铜箔上脱落，循环稳定性将会有一定的提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种片状-石墨烯@硅@无定型碳-三明治结构复合材料的制备方法。

本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的片状-石墨烯@硅@无定型碳-三明治结构复合材料产品。

本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。

本发明目的通过下述方案实现：一种片状-石墨烯@硅@无定型碳-三明治结构复合材料的制备方法，采用溶胶-凝胶法、水热法和镁热还原法合成片状-石墨烯@硅@无定型碳-三明治结构复合材料，经过后续酸处理去掉氧化镁和硅化镁杂质得到纯净产物，包括以下步骤：

a、取0.1-0.2g氧化石墨烯，加入到80 ml去离子水中，搅拌20分钟，超声分散3h得到a溶液；

b、向a溶液中逐滴加入5 ml的正硅酸乙酯，搅拌2 h得到b溶液；

c、将10 g葡萄糖或蔗糖或聚乙烯醇加入到b溶液中，搅拌10分钟得到c溶液；

d、将c溶液倒入100 ml水热反应釜，置于180-200℃烘箱中，保温15小时；

e、打开水热反应釜，将所得样品用去离子水过滤清洗多次后置于80℃烘箱12 h，得到片状-石墨烯@二氧化硅@部分有机碳-三明治结构；