[发明专利]一种高性能硅氧化物基复合材料的制备及应用

说明书

本发明提供了一种高性能硅氧化物基复合材料的制备方法，是将硅氧化物与金属粉末混合，球磨，得到硅氧化物基前体材料；所述金属粉末为Fe、Fe‑Cr合金粉、Fe‑Ni合金粉或Fe‑Cr‑Ni合金粉；将硅氧化物基前体材料加入石墨烯溶液中，搅拌，超声后将其搅干，在惰性气氛下，于400~800℃退火2~6小时，得到石墨烯复合的硅氧化物基复合材料。该复合材料用作锂离子电池负极材料，具有良好的电化学性能和优异的循环稳定性，且制备工艺简单，因此具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于复合材料领域和锂离子电池技术领域，具体涉及一种高性能硅氧化物基复合材料的制备方法，主要用于锂离子电池负极材料。

背景技术

锂离子电池（Lithium Ion Battery，简称LIB）具有能量密度高、循环寿命长以及环境友好等特点，成为最受关注的储能设备之一。他们不仅占领了手机、笔记本电脑和数码相机等便携式电子产品的市场，也是电动汽车行业的首选电源。这对锂离子电池在性能上提出了更高的要求，因此，追求具有高理论容量的新型电极材料变得非常重要。在负极材料方面，硅由于理论容量高（4200mAh g^-1）、氧化还原电位低（~0.4v）等特点成为最具潜力的锂离子电池负极材料。但是硅在锂离子嵌入与脱出过程中会引起的巨大体积变化(~400%)以及纳米硅制造过程中的超高成本，都严重限制了硅负极材料的广泛应用。

近年来，硅氧化物（SiO_x, 0＜x≤2），以SiO为主，由于其储量丰富、低成本、易于合成，拥有较理想的理论容量（2200−2500 mAh g⁻¹）、以及与纯硅相比相对较小的体积膨胀引发了科研工作者的极大兴趣，有望替代硅实现商业化应用。尽管具有以上优点，但一氧化硅电导率低，仅有6.7×10^-4 S cm^-1，至使倍率性能不佳；仍存在200%的体积膨胀，造成容量快速衰减；首次循环可逆容量损失大。严重限制了一氧化硅在锂离子电池中的广泛应用。为了解决上述问题，一个很有前途的策略就是将其与导电性能良好的材料进行复合，制造二元或多元复合材料。如与金属或碳材料复合，这些材料优异的导电性能弥补了一氧化硅本征电导率低的缺陷，碳又具有强的机械性能可以缓解由充放电过程引起的体积膨胀，减少电极副反应的发生，提高一氧化硅基电极的电化学性能。

Fe、Cr、Ni为过渡金属，电导率高，而还原氧化石墨烯（rGO）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面二维材料，已经被证实是一种理想的材料，在Fe、Cr、Ni提高导电性的同时，rGO的片层柔韧性可以缓冲电极材料在循环过程中的体积膨胀，改善电极材料的电化学性能。

文献1（Electrochemical Properties and Chemical Structures of Metal-Doped SiO Anodes for Li-Ion Rechargeable Batteries，Journal of TheElectrochemical Society, 2007, 154, 4: A376-A380)公布了一种以共沉积法实现金属在SiO中的掺杂。该工艺方法相对复杂，较难实现大规模生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单且适用于大规模工业生产的高性能硅氧化物基复合材料的制备方法，主要用于锂离子电池负极材料。

一、硅氧化物基复合材料的制备

本发明高性能硅氧化物基复合材料的制备方法，包括如下步骤：