一种复合材料及其制备方法和电池负极与流程

本发明涉及电池，尤其是涉及一种复合材料及其制备方法和电池负极。

背景技术：

1、硅材料价格低廉、对环境友好、理论容量高，能有效提高锂离子电池的能量密度，但是硅基材料的低电导率导致了较差的电极倍率性能，并且循环过程随着充放电的进行，硅的体积也不断的进行膨胀缩小，硅颗粒的体积变化会导致电极材料破碎、脱落，并失去与集电体的接触。

2、目前，多使用碳材料对硅进行包覆，虽然体积膨胀有所改善，但是由于硅和碳材料的体积膨胀率不同，在多次充放电循环后，硅材料容易从碳上剥离下来，导致循环性能下降，电解液在小于1v的电位下在硅表面形成固体电解质界面(sei膜)；且在体积变化过程中，电解液在硅表面形成的固体电解质界面(sei膜)会发生破裂并暴露硅颗粒，使得在暴露的硅表面形成更多的sei膜，sei膜不断增厚，阻止锂离子和电子的传输导致了电导率增大，电池阻抗增加，最终会导致电池容量迅速衰减、循环寿命缩短和电池损坏。

3、硅碳复合材料作为锂离子电池的负极材料，在循环过程中，硅材料会发生体积膨胀及收缩，导致电极材料破碎、脱落，在暴露的材料表面反复生成sei膜，导致循环性能和倍率性能降低。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种复合材料的制备方法，通过对硅粉进行改性，然后将改性后的硅粉、氧化石墨烯和碳纳米管通过水热反应和煅烧复合在一起，形成坚固的三维结构；避免了硅与电解液的直接接触，减少了sei层的生长，有效防止了硅从石墨烯上脱落，从而提高了复合材料的结构稳定性、电导率、容量保留率、倍率性能和循环性能。

2、本发明的第二目的在于提供一种复合材料，采用如上所述的复合材料的制备方法制得。

3、本发明的第三目的在于提供一种电池负极，包括如上所述的硅复合材料。

4、为了实现本发明的上述目的，采用以下技术方案：

5、本发明提供了一种复合材料的制备方法，包括如下步骤：

6、s1、将硅粉清洗后，浸泡在氨丙基三乙氧基硅烷溶液中，得到改性硅粉；

7、s2、将含有所述改性硅粉、氧化石墨烯和碳纳米管的分散液与甲醛溶液进行水热反应，煅烧后得到所述复合材料。

8、进一步地，步骤s1中，所述硅粉的粒径为80～150nm。

9、进一步地，步骤s1中，所述清洗包括：将所述硅粉在双氧水和硫酸溶液的混合液中浸泡。

10、优选地，在所述双氧水和硫酸溶液的混合液中浸泡的温度为50～70℃，浸泡的时间为10～15h。

11、进一步地，步骤s1中，在所述氨丙基三乙氧基硅烷溶液中浸泡的温度为50～70℃，浸泡的时间为20～30h。

12、进一步地，步骤s2中，所述碳纳米管的长度为1.2～22.6μm，直径为0.4～30nm。

13、进一步地，步骤s2中，所述改性硅粉、所述氧化石墨烯和所述碳纳米管的质量比为(1.5～2.5)：(0.5～1.5)：(0.5～1.5)。

14、优选地，所述改性硅粉与所述甲醛溶液的用量比为1g：4～6ml。

15、进一步地，步骤s2中，所述水热反应的温度为170～190℃，所述水热反应的时间为6～8h。

16、进一步地，步骤s2中，所述煅烧的温度为650～750℃，所述煅烧的时间为3～5h。

17、本发明还提供了一种复合材料，采用如上所述的复合材料的制备方法制得。

18、本发明还提供了一种电池负极，包括如上所述的复合材料。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、本发明的复合材料的制备方法，通过对硅粉进行改性，然后将改性后的硅粉、氧化石墨烯和碳纳米管通过水热反应和煅烧复合在一起，形成一种坚固的三维结构；该方法以碳纳米管作为骨架，采用石墨烯包覆硅，将硅粉与石墨烯结合形成更稳定的复合结构，并均匀散布在骨架上；由于石墨烯包裹在硅表面，因此，避免了与电解液的直接接触，减少了sei层的生长，避免了反复生成sei膜造成的活性锂损失以及阻抗增加；碳纳米管的紧密缠绕有效地防止了硅粉从石墨烯上脱落，有利于保持原有的电极结构，并且增加了材料的电导率，在循环过程中具有高的容量保留率，为电解液的浸没提供开放的通道，缩短电子和li+的传输距离；复合材料坚固的三维结构还能适应和缓冲硅的体积变化，防止电极结构开裂，防止纳米硅粉因体积膨胀而从碳基上脱落，从而使电极具有良好的导电性和稳定的机械性能。

技术特征：

1.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述硅粉的粒径为80～150nm。

3.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述清洗包括：将所述硅粉在双氧水和硫酸溶液的混合液中浸泡；

4.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，在所述氨丙基三乙氧基硅烷溶液中浸泡的温度为50～70℃，浸泡的时间为20～30h。

5.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述碳纳米管的长度为1.2～22.6μm，直径为0.4～30nm。

6.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述改性硅粉、所述氧化石墨烯和所述碳纳米管的质量比为(1.5～2.5)：(0.5～1.5)：(0.5～1.5)；

7.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述水热反应的温度为170～190℃，所述水热反应的时间为6～8h。

8.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述煅烧的温度为650～750℃，所述煅烧的时间为3～5h。

9.一种复合材料，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的复合材料的制备方法制得。

10.一种电池负极，其特征在于，包括权利要求9所述的复合材料。

技术总结
本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种复合材料及其制备方法和电池负极。本发明的复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将硅粉清洗后，浸泡在氨丙基三乙氧基硅烷溶液中，得到改性硅粉；S2、将含有所述改性硅粉、氧化石墨烯和碳纳米管的分散液与甲醛溶液进行水热反应，煅烧后得到所述复合材料。本发明通过对硅粉进行改性，然后将改性硅粉、氧化石墨烯和碳纳米管通过水热反应和煅烧复合在一起，形成了坚固的三维结构；避免了硅与电解液的直接接触，减少了SEI层的生长，有效防止了硅从石墨烯上脱落，增加了电导率，缩短锂离子和电子传输路径，提高了复合材料的结构稳定性、电导率、容量保留率、倍率性能和循环性能。

技术研发人员：姜孟芳
受保护的技术使用者：蜂巢能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15