[发明专利]膨胀石墨与纳米硅复合材料及其制备方法、电极片、电池

权利要求书

1.一种高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

步骤S1，使用氧化剂对石墨进行氧化，制得氧化石墨，通过调整氧化剂的用量控制氧化石墨的氧化程度；

步骤S2，将上述氧化石墨进行热处理，制得膨胀石墨；

步骤S3，将上述膨胀石墨与纳米硅、碳源混合并进行球磨，得到高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料前驱体，该高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料前驱体包括多个石墨层、填充于石墨层之间的碳源和纳米硅；

步骤S4，对上述高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料前驱体进行热处理，使碳源转化为无定型碳；

步骤S5，使用化学气相沉积在上述热处理过的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料前驱体表面沉积一层碳或氮掺杂碳。

2.如权利要求1所述的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法，其特征在于：对石墨进行氧化的方法为：用浓硫酸、高锰酸钾、硝酸盐对该石墨进行氧化，其中石墨与硝酸盐的质量比为2:1，浓硫酸与石墨的质量比为（30~60）：1，高锰酸钾的质量为石墨的质量的0.5~2倍。

3.如权利要求2所述的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述硝酸盐选自硝酸钠、硝酸钾、硝酸铵及硝酸钙中的一种或几种；所述石墨选自天然磷片石墨、球形石墨及微晶石墨中的一种或几种；所述碳源选自聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮及沥青中的一种或几种。

4.如权利要求2所述的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1包括：

步骤S11，将石墨、硝酸盐按照一定的比例加入浓硫酸中，在温度T₁下搅拌一段时间t₁，得到混合溶液；

步骤S12，将一定量的高锰酸钾缓慢加入上述混合溶液中，温度T₁下搅拌一段时间t₂后升温至某一温度T₂，继续搅拌一段时间t₃，得到前驱体溶液；

步骤S13，将一定量的水缓慢加入上述前驱体溶液中，并升温至温度T₃，搅拌t₄，抽滤，即得到氧化石墨。

5.如权利要求4所述的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述温度T₁为-10℃~0℃，所述温度T₂为25~40℃，所述温度T₃为90~100℃，所述时间t₁为10~30min，所述时间t₂为1~3h，所述时间t₃为0.5~2h，所述时间t₄为1~3h。

6.如权利要求1所述的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2为：

将上述氧化石墨，放置在900℃、保护气氛下热处理2h，即制得膨胀石墨。

7.如权利要求1所述的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3为：对膨胀石墨与纳米硅、碳源按照质量比为1：（0.01~2）：（0.01~2）的比例进行球磨，得到高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料前驱体；

所述步骤S4为：将上述高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料放置在保护气氛下，升温至150~300℃，保温1~3h，再升温至500~800℃，保温1~3h，接着随炉温自然冷却至室温；

所述步骤S5为：以乙腈为碳源和氮源，在管式炉中在500~800℃对上述热处理过的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料前驱体表面进行化学气相沉积镀碳或氮掺杂碳，即制得高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料。

8.一种高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料，其特征在于：该高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料包括多个石墨层、以及填充于相邻的石墨层之间的纳米硅和碳，该材料的结构为纳米硅颗粒嵌入到受挤压的膨胀石墨的石墨层之间，膨胀石墨间隙被碳填充；膨胀石墨作为导电骨架，受压缩膨胀石墨之间的间隙作为纳米硅充放电过程中膨胀的缓冲空间，碳连接纳米硅和膨胀石墨的石墨层形成三维导电网络，该高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的密度为0.5~1g/cm³。

9.一种电极片，其特征在于：该电极片包括导电基体及附着于该导电基体上的如权利要求8所述的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料。

10.一种锂离子电池，其包括正极、负极以及电解液，其特征在于：该正极或负极包括如权利要8所述的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料。