富锂磺化石墨烯-纳米氧化硅负极材料及其制法与应用_2

文档序号:9454737阅读:来源:国知局
施例1产品的表面形貌图(SEM观测);
[0038] 图2是对照例1产品的表面形貌图(SEM观测);
[0039] 图3是以本发明实施例1产品组装成模拟电池的性能测试图;
[0040] 图4是以对照例1产品组装成模拟电池的性能测试图。
【具体实施方式】
[0041] 本发明的一个方面涉及一种富锂磺化石墨稀-纳米氧化娃SiOx(0 < X < 1)负 极材料,其包括磺化石墨稀、纳米氧化娃Si0x(0 < X < 1)和锂金属,其中娃硫比为1:1~ 16:1,锂硫比为1:1~1:5 ;
[0042] 所述纳米氧化娃SiOx (0 < X < 1)的粒径为3_500nm ;
[0043] 所述磺化石墨稀的径向尺寸为0· 05~100 μ m,厚度为0· 5~20nm,其中磺酸基的 含量以碳硫比表示为12:1~3:1。
[0044] 本发明的另一个方面涉及一种制备所述富锂磺化石墨稀-纳米氧化娃 SiOx(0 < X < 1)负极材料的方法。
[0045] 在一较为典型的实施案例之中,该制备方法可以包括以下步骤:
[0046] (1)将磺化石墨烯均匀分散于水中;
[0047] (2)向磺化石墨烯溶液中加入含氨基硅烷和正硅酸酯的混合水溶液;
[0048] (3)充分搅拌,使磺化石墨烯溶液中的部分磺酸基和含氨基硅烷的氨基反应,得到 石墨稀-纳米氧化娃SiO x (0 < X < 1)前驱体水溶液;
[0049] (4)在惰性气氛中向石墨烯-纳米氧化硅前驱体水溶液中加入锂化合物,并在室 温下搅拌,使磺化石墨烯中的部分磺酸基与锂化合物反应,得到富锂前驱体水溶液;
[0050] (5)蒸干富锂前驱体水溶液的水分,并在惰性气氛中高温烧结,得到富锂磺化石墨 稀-纳米氧化娃SiO x (0 < X < 1)负极材料。
[0051] 进一步的,前述步骤3中反应时间优选为Ih~12h。
[0052] 进一步的,前述步骤5中蒸干水分的温度优选为80°C~250°C,时间为4h~24h, 高温烧结的温度为450°C~1950°C,烧结时间为6h~48h。
[0053] 在本发明的富锂磺化石墨烯纳米氧化硅SiOx(0 < x < 1)负极材料之中,磺化石 墨烯呈均匀分散的状态,而锂化合物经离子键均匀负载于磺化石墨烯上,且大部分的纳米 氧化硅颗粒经共价键均匀结合于磺化石墨烯上,另有部分纳米氧化硅弥散分布在磺化石墨 烯之间。此种结构之中纳米硅及活性锂与磺化石墨烯紧密结合,既可大幅提升其导电性,还 可缓解甚至避免脱嵌锂过程中的体积膨胀产生的内应力对负极材料结构的破坏,使得本发 明提供的锂离子电池负极材料具有更高的放电比容量,更优异的首次库伦效率及更好的循 环性能。实验结果表明,本发明提供的锂离子电池负极材料首次放电比容量高达2236mAh/ g,首次库伦效率高达93. 4%,100次循环后容量损失在8. 5% %以下。
[0054] 以下结合若干实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明,但本发明并不 局限于这些实施例。如下实施例中采用的磺化石墨稀的径向尺寸为〇. 05~100 μ m,厚 度为0.5~20nm,其中磺酸基的含量以碳、硫摩尔比表示为12:1~3:1。这些磺化石墨 烯可以采用业界已知的各种途径获取(例如参阅CN103539105A ;CN103359728A ;Nano Letters, 2008, 8 (6) : 1679 - 1682等文献),而涉及的各类测试设备,均可以选用业界所知 悉和惯用的型号。
[0055] 实施例1
[0056] -种富锂磺化石墨稀-纳米SiOx(X = 0)锂离子电池负极材料的制备方法,其包 括:
[0057] Sl :将磺化石墨烯均匀分散于水中,形成浓度为200g/L的磺化石墨烯水溶液;
[0058] S2:向磺化石墨烯溶液中加入3-氨丙基三乙氧基硅烷和四甲氧基硅烷的水溶液, 该3-氨丙基三乙氧基硅烷与四甲氧基硅烷的溶液与磺化石墨烯水溶液的质量比为1:10, 3_氨丙基三乙氧基硅烷与四甲氧基硅烷的摩尔比为1:1 ;
[0059] S3 :充分搅拌,使磺化石墨烯溶液中的部分磺酸和3-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基 充分反应8~12h,得到石墨烯-纳米SiOJ^驱体水溶液;
[0060] S4 :在惰性气氛中向石墨烯-纳米SiOx前驱体水溶液中加入氧化锂,且氧化锂于 前驱体水溶液中的添加量为30g/L,在室温下搅拌使磺化石墨烯中的部分磺酸与氧化锂反 应,得到富锂前驱体水溶液;
[0061] S5 :将富锂前驱体水溶液在150°C加热24h以蒸干其中的水分,之后在惰性气氛中 高温烧结,烧结温度为1550°C,时间为10h,得到富锂磺化石墨稀-纳米SiO x材料。
[0062] 实施例2
[0063] -种富锂磺化石墨稀-纳米SiOx(X = 0. 3)锂离子电池负极材料的制备方法,其 包括:
[0064] Sl :将磺化石墨烯均匀分散于水中,形成浓度为140g/L的磺化石墨烯水溶液;
[0065] S2:向磺化石墨烯溶液中加入N-(2_氨乙基)-3_氨丙基三乙氧基硅烷和四乙氧基 硅烷的水溶液,该N- (2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷与四乙氧基硅烷的溶液与磺化石 墨烯水溶液的质量比为1:7, N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷与四甲氧基硅烷的摩 尔比为1:12 ;
[0066] S3 :充分搅拌,使磺化石墨烯溶液中的部分磺酸和N-(2-氨乙基)-3_氨丙基三乙 氧基硅烷的氨基充分反应1~6h,得到石墨烯-纳米SiOJ^驱体水溶液;
[0067] S4 :在惰性气氛中向石墨烯-纳米310:(前驱体水溶液中加入氢氧化锂,且氢氧化 锂于前驱体水溶液中的添加量为21g/L,在室温下搅拌使磺化石墨烯中的部分磺酸与氢氧 化锂反应,得到富锂前驱体水溶液;
[0068] S5 :将富锂前驱体水溶液在150°C加热20~24h以蒸干其中的水分,之后在惰性 气氛中高温烧结,烧结温度为1240°C,时间为8h,得到富锂磺化石墨烯-纳米SiO x材料。
[0069] 实施例3
[0070] -种富锂磺化石墨稀-纳米SiOx(X = 0. 6)锂离子电池负极材料的制备方法,其 包括:
[0071 ] Sl :将磺化石墨烯均匀分散于水中,形成浓度为60g/L的磺化石墨烯水溶液;
[0072] S2:向磺化石墨烯溶液中加入3-氨丙基烷基一甲氧基硅烷和四丙氧基硅烷的水 溶液,该3-氨丙基烷基一甲氧基硅烷与四丙氧基硅烷的溶液与磺化石墨烯水溶液的质量 比为1:4, 3-氨丙基烷基一甲氧基硅烷与四甲氧基硅烷的摩尔比为1:21 ;
[0073] S3 :充分搅拌,使磺化石墨烯溶液中的部分磺酸和3-氨丙基烷基一甲氧基硅烷的 氨基充分反应5~6h,得到石墨烯-纳米SiOJ^驱体水溶液;
[0074] S4 :在惰性气氛中向石墨烯-纳米SiOx前驱体水溶液中加入氧化锂,且氧化锂于 前驱体水溶液中的添加量为9g/L,在室温下搅拌使磺化石墨烯中的部分磺酸与氧化锂反 应,得到富锂前驱体水溶液;
[0075] S5 :将富锂前驱体水溶液在150°C加热18~20h以蒸干其中的水分,之后在惰性 气氛中高温烧结,烧结温度为1020°C,时间为7h,得到富锂磺化石墨烯-纳米SiO x材料。
[0076] 实施例4
[0077] -种富锂磺化石墨稀-纳米SiOx(X = 1)锂离子电池负极材料的制备方法,其包 括:
[0078] Sl :将磺化石墨烯均匀分散于水中,形成浓度为2g/L的磺化石墨烯水溶液;
[0079] S2:向磺化石墨烯溶液中加入二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷和四丁氧基硅烷的 水溶液,二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷与四丁氧基硅烷的溶液与磺
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