[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法、膨胀石墨与纳米硅复合材料、应用该膨胀石墨与纳米硅复合材料的电极片、及应用该电极片的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有功率密度和体积比容量高的特性而被广泛应用在各类电子产品和电动汽车中。硅负极材料因具有非常高的比容量（4200mAh/g），且具有良好的充放电平台和较低的嵌锂电位，而成为了取代石墨作为锂离子电池负极材料的理想材料。然而硅材料在嵌锂的过程中体积会膨胀到初始体积的300%，经反复循环嵌锂和脱锂过程会导致电极粉化，使电池的循环性能变差。将硅材料纳米化，一方面可解决硅材料反复膨胀导致的电极粉化，另一方面可缩短锂离子扩散路径，提高锂离子电池的快速充放电性能。将硅材料与碳材料复合形成负极材料，一方面可提高复合材料的导电性能，另一方面具有柔性的碳材料为硅材料的体积膨胀提供了缓冲空间，缓解了由于硅体积膨胀导致的电极粉化。然而，现有方法制得的碳-纳米硅复合材料往往振实密度非常低，导致集流体上电极材料负载量非常少，从而导致较低的体积比容量。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种新的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法。

另，还有必要提供一种高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料。

另，还有必要提供一种应用上述高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的电极片。

另，还有必要提供一种应用上述电极片的锂离子电池。

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。

一种高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料，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。

一种电极片，其包括导电基体及附着于该导电基体上的上述高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料。

一种锂离子电池，其包括正极、负极以及电解液，该正极或负极包括上述高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料。

本发明的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法通过制备氧化石墨，将该氧化石墨经热处理得到膨胀度较大的膨胀石墨，通过球磨使纳米硅和碳源混合嵌入膨胀石墨的石墨层中，再经热处理，即可得到具有高振实密度及高体积比容量的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料。该高密度膨胀石墨与纳米硅复合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，膨胀石墨间隙被无定型碳填充；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的缓冲空间，无定型碳可以连接纳米硅和膨胀石墨形成三维导电网络；利用化学气相沉积镀碳可以进一步对纳米硅进行表面包覆，最大程度避免纳米硅与电解液的接触；通过在上述镀膜碳里面引入氮可以提高镀膜碳里面的缺陷浓度，进一步提高锂离子在镀膜碳里面的传输速率从而提高其性能。该高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法的制备工艺简单、耗能低、环保。另外，使用上述方法制得的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料用于锂离子电池的电极材料时，该锂离子电池的循环性能好且稳定，且该锂离子电池的倍率性能优异，体积能量密度较大。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的制备方法的流程图。

图2为膨胀石墨的示意图。

图3为高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料前驱体的示意图。

图4为高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的示意图。

图5为实施例1所制得的高密度膨胀石墨与纳米硅复合材料的扫描电镜图。