本发明涉及石墨烯基硅碳复合材料的制备方法,属于锂离子电池负极材料制备技术领域。
背景技术:
随着生产的需求和环境保护意识的提高,新能源成为各国争相发展的重点,锂离子电池以其比能量大、工作电压高、自放电率小、体积小、重量轻等优势早已占据3c领域大部分市场。
目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨,但理论容量仅为372mah/g,已逐渐不能满足市场对高能量密度的需求。
硅具有超高的理论比容量(4200mah/g)和较低的嵌脱锂电位(<0.5v),且硅的电压平台略高于石墨,在充电时较难引起表面析锂,安全性能更好。硅作为锂离子电池负极材料时缺点也非常明显。首先,硅是半导体材料,自身的电导率较低;其次,在电化学循环过程中,锂离子的嵌入和脱出会使硅基材料体积发生300%以上的膨胀与收缩,由此产生的机械作用力会使硅基材料逐渐粉化,造成结构坍塌,最终导致电极活性物质与集流体脱离,丧失电接触,进而使得锂离子电池的循环性能大大降低。
技术实现要素:
为了解决现有技术中石墨理论容量低、硅脱嵌锂造成结构坍塌的技术问题,本发明的目的是提供一种石墨烯基硅碳复合材料的制备方法。
本发明的技术方案是:
一种石墨烯基硅碳复合材料的制备方法,首先将质量比为1-2:1的氧化石墨烯和马来酸盐分散到水中,在70-90℃搅拌2h后得到分散液,然后在150-200℃下喷雾干燥,使其成为粉末状,220-250℃处理5h后,再在300-350℃处理5h后,450-500℃处理5h,再在750-800℃处理5h,得到球形石墨烯微球;将纳米硅、球形石墨烯微球分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下50-100℃保持10-20min,200-300℃保持20-30min,700-800℃保持5-6h,得到纳米硅/球形石墨烯微球复合物;再将复合物与有机碳源分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下50-100℃保持10-20min,200-300℃保持20-30min,700-800℃保持5-6h,850-900℃保持8-10h,得到石墨烯基硅碳复合材料。
优选的是:首先将质量比为1.5:1的氧化石墨烯和马来酸盐分散到水中,在80℃搅拌2h后得到分散液,然后在180℃下喷雾干燥,使其成为粉末状,240℃处理5h后,再在320℃处理5h后,480℃处理5h,再在780℃处理5h,得到球形石墨烯微球;将纳米硅、球形石墨烯微球分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下80℃保持10-20min,260℃保持20-30min,780℃保持5-6h,得到纳米硅/球形石墨烯微球复合物;再将复合物与有机碳源分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下80℃保持10-20min,260℃保持20-30min,780℃保持5-6h,880℃保持8-10h,得到石墨烯基硅碳复合材料。
本发明还提供一种石墨烯基硅碳复合材料,采用上述方法制备。
本发明还提供一种锂离子电池负极材料,采用上述石墨烯基硅碳复合材料。
本发明还提供一种锂离子电池,采用上述负极材料。
本发明有益效果是:球形石墨烯微球高度分散,马来酸盐、硅和碳分布均匀,首次放电容量可达750以上,首次库伦效率达92%以上,0.1c下充放电,500次循环后容量保持率85%以上。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
首先将质量比为1:1的氧化石墨烯和马来酸盐分散到水中,在70℃搅拌2h后得到分散液,然后在150℃下喷雾干燥,使其成为粉末状,220℃处理5h后,再在300℃处理5h后,450℃处理5h,再在750℃处理5h,得到球形石墨烯微球;将纳米硅、球形石墨烯微球分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下50℃保持10min,200℃保持20min,800℃保持6h,得到纳米硅/球形石墨烯微球复合物;再将复合物与有机碳源分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下100℃保持20min,300℃保持20min,800℃保持5h,850℃保持8h,得到石墨烯基硅碳复合材料。
实施例2
首先将质量比为1.5:1的氧化石墨烯和马来酸盐分散到水中,在80℃搅拌2h后得到分散液,然后在180℃下喷雾干燥,使其成为粉末状,240℃处理5h后,再在320℃处理5h后,480℃处理5h,再在780℃处理5h,得到球形石墨烯微球;将纳米硅、球形石墨烯微球分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下80℃保持10-20min,260℃保持20-30min,780℃保持5-6h,得到纳米硅/球形石墨烯微球复合物;再将复合物与有机碳源分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下80℃保持10-20min,260℃保持20-30min,780℃保持5-6h,880℃保持8-10h,得到石墨烯基硅碳复合材料。
实施例3
首先将质量比为2:1的氧化石墨烯和马来酸盐分散到水中,在90℃搅拌2h后得到分散液,然后在200℃下喷雾干燥,使其成为粉末状,250℃处理5h后,再在350℃处理5h后,500℃处理5h,再在800℃处理5h,得到球形石墨烯微球;将纳米硅、球形石墨烯微球分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下50℃保持20min,200℃保持30min,800℃保持6h,得到纳米硅/球形石墨烯微球复合物;再将复合物与有机碳源分散在溶剂中,经过超声、搅拌,待混合均匀后除去溶剂,在惰性气体下100℃保持20min,200-300℃保持20min,700℃保持5h,850℃保持8h,得到石墨烯基硅碳复合材料。
取实施例1~3制备的材料作为负极材料,与粘结剂(la132),导电剂(super-p)和分散剂(水和乙醇,体积比位1:3)调成浆料、涂敷在铜箔上,并经真空干燥,辊压,制备成负极片;正极采用金属锂片,使用的有机电解液为1mlipf6/ec+pc+dec(摩尔比为1:1:1),隔膜为聚丙烯,制成cr2025型扣式电池。测试条件为常温,0.1c下充放电,充放电电压限制为0.005~1.5v。
表1半电池测试性能