[发明专利]硅合金、石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种硅合金、石墨烯复合材料及其制备方法。

【背景技术】

随着各种新能源的发展，便携式电子设备的小型化发展及电动汽车对大容量高功率化学电源的广泛需求。目前商品化的锂离子电池大多采用锂石墨体系，虽然这类体系的电化学性能优异，但是由于其本身储锂能力较低(如石墨的理论372mAh/g)，所以新型的过渡金属氧化物/石墨体系受到人们的广泛的重视。

目前所知道的嵌锂材料中，纯硅因具有最高的理论储锂容量(4200mAh/g)，相对较低的嵌锂电位，充放电过程不易团聚，较其他金属基材料具有更高的物理稳定性和化学稳定性，目前成为锂离子电池负极材料领域的研究热点。但是硅基材料存在一个缺点：在深度脱嵌锂过程中由于体积效应产生的应力作用容易造成硅晶格结构的崩塌和材料粉化，致使活性物质脱离电极材料体系而失去活性，因此具有很差的循环稳定性。目前，主要改进方法有采用镍、铁以及铜等金属与硅复合，形成以硅为活性中心，以惰性金属为分散载体的活性/惰性复合体系，改善材料的导电性能的同时，提高了含硅材料的循环性能。

但是，这种材料容易形成惰性的金属硅相，削弱了硅基材料的比容。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种比容较高的硅合金、石墨烯复合材料及其制备方法。

一种硅合金、石墨烯复合材料，包括石墨烯包覆的硅合金微纳米颗粒和石墨烯，所述石墨烯包覆的硅合金微纳米颗粒和所述石墨烯均匀混合且质量比为5∶1～1∶20，所述硅合金微纳米颗粒在所述硅合金、石墨烯复合材料中的质量分数为0.1％～20％。

优选的，所述硅合金微纳米颗粒的粒径为1nm～100nm；

所述硅合金微纳米微粒中的金属为镍、铁、铜、镁、钴或铝；

所述硅合金微纳米微粒中的金属所占的质量比例为1％～30％。

一种硅合金、石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、提供或制备硅合金微纳米颗粒和氧化石墨；

步骤二、将所述氧化石墨在水中超声分散，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液，然后加入所述硅合金微纳米颗粒，在室温下搅拌后得到均匀分散的氧化石墨烯和硅合金微纳米颗粒的混合物，真空干燥后得到氧化石墨烯包覆的硅合金微纳米颗粒；

步骤三、将所述氧化石墨烯包覆的硅合金微纳米颗粒在还原气氛下热还原，得到石墨烯包覆的硅合金微纳米颗粒；

步骤四、将所述石墨烯包覆的硅合金微纳米颗粒与石墨烯按照质量比例5∶1～1∶20混合后球磨，得到均匀混合的硅合金、石墨烯复合材料；所述硅合金微纳米颗粒在所述硅合金、石墨烯复合材料中的质量分数为0.1％～20％。

优选的，步骤一中，所述硅合金微纳米颗粒的粒径为1nm～100nm。

优选的，步骤一中，所述硅合金微纳米微粒中的金属为镍、铁、铜、镁、钴或铝；

所述硅合金微纳米微粒中的金属所占的质量比例为1％～30％。

优选的，步骤一中，所述氧化石墨包括如下步骤制备得到：将石墨原料、过硫酸钾和五氧化二磷加入至80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6小时以上，抽滤，洗涤至中性，干燥，得到混合样品；

将所述混合样品加入至0℃的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，体系的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持2小时后，缓慢加入去离子水，15分钟后，再加入含双氧水的去离子水，直至溶液的颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用浓度为10％的盐酸进行洗涤，抽滤，60℃真空干燥即得到氧化石墨。

优选的，步骤一还包括用盐酸处理所述硅合金微纳米颗粒的表面的操作。

优选的，步骤二中，按照所述硅合金微纳米颗粒和所述氧化石墨烯的质量比例为1∶5～1∶100向所述氧化石墨烯溶液中加入所述硅合金微纳米颗粒。

优选的，步骤三为：将所述氧化石墨烯包覆的硅合金微纳米颗粒放入通有还原性气体的管式炉中，以10℃/min～100℃/min的速度升温至200℃～1200℃并持续1h～10h，保持还原气氛冷却至室温，得到所述石墨烯包覆的硅合金微纳米颗粒。

优选的，步骤四中，所述石墨烯通过液相还原步骤一得到的氧化石墨制得。

这种硅合金、石墨烯复合材料通过使用具备良好的导电性、空隙分布以及高的机械性能的石墨烯材料取代普通的碳材料，相对于传统的硅基材料，具有较高的比容。

【附图说明】

图1为实施例1制备的硅合金、石墨烯复合材料的SEM电镜图。

【具体实施方式】