[发明专利]一种硅/石墨烯/碳纤维复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种硅/石墨烯/碳纤维复合负极材料及其制备方法，属于电化学和新能源材料领域。

背景技术

可弯曲折叠的柔性电子器件在最近几年的需求量强烈增加，而柔性锂离子电池是柔性电子器件的核心部件。传统的锂离子电池主要是将活性材料、导电剂、粘结剂混合涂覆在金属集流体上，经过烘干辊压而成。粘结剂的加入降低了电极材料的电子电导率，阻碍了锂离子在电极材料中扩散，增加了电极材料的极化。而导电剂几乎不贡献容量，所以导电剂和粘结剂的存在会降低电池的能量密度。传统的锂离子电池负极材料是以铜箔作为集流体，铜箔不仅不能给电极片提供容量，还占电极片大部分重量，铜箔质量是活性物质的几倍甚至更高，使用铜箔为集流体使电池的能量密度降低。另外，铜箔比较致密，内部无孔洞结构，对于充放电过程中体积效应大的电极材料，铜箔集流体不能有效缓解活性物质在循环过程中的体积效应，造成活性物质在循环过程粉化易于与铜箔集流体脱离。

硅材料具有极高的理论容量（4200 mAh/g）而成为下一代最具潜力的高能量负极材料，但是硅基材料的导电性差，硅在充放电过程中具有大的体积效应，体积变化最大可达到400％，造成硅材料在循环过程中容易粉化，易于集流体脱离，循环稳定性较差。为了提高硅基材料的导电性，改善硅基材料与常规电解液的兼容性，碳包覆硅形成硅碳复合材料成为研究的热点。碳包覆既可以提高复合材料的电导率，也可以避免硅基材料直接与电解液接触，提高材料的电化学性能。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种硅/石墨烯/碳纤维复合负极材料及其制备方法。它是由纳米硅粉、石墨烯、碳纤维构成的复合材料，纳米硅粉、石墨烯与碳纤维的质量占复合材料总质量的比例分别为20%，15%和65%之间（进一步优选为20%，15%和65%），其中，纳米硅粉的粒度为5-100纳米。该方法是通过将纳米硅粉和氧化石墨烯超声分散，随后将二者混合溶液滴在滤纸上，进一步煅烧得到硅/石墨烯/碳纤维复合材料。

本发明的目的是这样实现的：一种硅/石墨烯/碳纤维复合负极材料的制备方法，其工艺步骤：

用氧化剂将石墨氧化成氧化石墨，将氧化石墨超声剥离成氧化石墨烯材料；将纳米硅粉与氧化石墨烯混合后超声、搅拌均匀混合，然后置于衬底上，干燥后放入管式炉中，在保护气氛下煅烧后形成柔性的硅/石墨烯/碳纤维复合电极材料。所述的衬底为普通定性滤纸。

含有硅/石墨烯溶液的衬底在氮气气氛下煅烧，煅烧温度为500-1000℃，煅烧时间为1-10小时。进一步优选为含有硅/石墨烯溶液的衬底在氮气气氛下煅烧，煅烧温度为600℃，煅烧时间为4小时。

所述的氧化剂为浓硫酸、硝酸铵、高锰酸钾、双氧水，其具体步骤是将浓硫酸冷却至0℃，然后加入石墨和硝酸钠，搅拌至均匀，逐渐连续的加入高锰酸钾，搅拌3小时，将温度升至35℃，继续搅拌0.5h，然后逐渐连续的加入去离子水，温度升至98℃，在此温度下反应15min，移至常温，加入10%的双氧水，搅拌1小时，然后加入1mol/L盐酸混合搅拌，所得产物用去离子水水清洗至中性，得到氧化石墨。

电化学测试表明：此方法制备的硅/石墨烯/碳纤维复合材料本身具有较高的比容量，也具有良好的循环稳定性能，是一种理想的柔性锂离子电池负极材料。

本发明所述硅粉是纳米级别，颗粒尺寸在5-100纳米之间。