[发明专利]有效缓冲硅体积效应的锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了有效缓冲硅体积效应的锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：首先制备改性石墨烯微片；然后在石墨烯微片表面生长纳米硅球，得到石墨烯微片‑纳米硅球复合材料；再通过原子层沉积技术在石墨烯微片‑纳米硅球表面沉积金属氧化物层；再进行静电纺丝及煅烧处理，得到碳纳米纤维复合材料；再对碳纳米纤维复合材料进行酸处理，去除金属氧化物层形成空隙结构；最后在碳纳米纤维复合材料外面形成碳包覆层。本发明制备过程简单，精确可控的空隙结构，有效缓冲硅在充放电过程中的体积膨胀，在最外层形成碳包覆层进一步保护纳米硅球，保证电极结构的完整性，增加电极结构的稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料的制备方法技术领域，尤其涉及有效缓冲硅体积效应的锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池(LIBs)由于其相对较高的放电电压、能量密度和很好的功率性能，所以无处不在的应用于便携式电子产品和网络存储。目前更多的研究都在追求高理论容量的电极材料来取代目前已经发展的石墨负极材料。其中，硅基负极材料是最具有吸引力的替代品，因其具有非常高的理论容量4200mAh g-1(形成全锂化状态Li4.4Si)和低放电电压(Si的平均脱嵌锂电压为0.4V)。然而，由于其在充放电过程中的大体积变化(高达311％)所引起的开裂和粉碎，使得电极循环寿命受到限制。

虽然众多的纳米硅基材料包括硅微/纳米管，纳米硅球/碳复合材料，纳米多孔硅和纳米线已被提出是可以提高循环稳定性的硅负极材料，但要使每个硅纳米粒子都有自由膨胀空间的硅基电极制造仍然是一个巨大的挑战。另一个限制硅基电极循环寿命长的关键因素，是不稳定的固体电解质界面(SEI)在电极的表面形成。如果SEI层变形或断裂，在下一个充电过程需要在电极表面形成新的SEI，这将导致电池库仑效率差，同时堆积的固体电解质界面(SEI)也会阻碍锂离子的传输。许多研究都集中在提高电极的稳定性使得锂离子电池在几十甚至到几百次循环仍具有相对高的容量。然而，它仍然是远远无法满足其在实际应用中所需的循环寿命。因此，现有应用于锂离子电池负极材料的制备方法的纳米硅基材料制备技术还有待改进。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了有效缓冲硅体积效应的锂离子电池负极材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：有效缓冲硅体积效应的锂离子电池负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：制备改性石墨烯微片；在石墨烯微片表面生长纳米硅球，得到石墨烯微片-纳米硅球复合材料；通过原子层沉积技术在石墨烯微片-纳米硅球表面沉积精确厚度的金属氧化物层；将表面沉积有金属氧化物层的石墨烯微片-纳米硅球复合材料均匀分散到静电纺丝液中，进行静电纺丝及煅烧处理，得到碳纳米纤维复合材料；对碳纳米纤维复合材料进行酸处理，完全去除金属氧化物层形成空隙结构，即在纳米硅球或石墨烯与碳纳米纤维之间留下空隙结构；在碳纳米纤维复合材料外面形成碳包覆层。

进一步的，所述改性石墨烯微片制备方法为首先将膨胀石墨置于容器中，加入100-1000ml的有机溶剂，然后在超声振荡功率为300-1200W，温度为20-150℃条件下振荡1-24h，得到石墨烯微片悬浮液；接着静置20-300min，取上层悬浮液，去除沉淀物，过滤后在60-80℃下烘干得到石墨烯微片；接着将所得石墨烯微片加入到20-100ml的浓硫酸中，保持溶液温度低于4℃，缓慢添加0.5-20g的高锰酸钾，保持溶液温度低于10℃并磁力搅拌60-120min并在磁力搅拌过程中，缓慢添加150ml的去离子水；搅拌结束后添加1-5ml的双氧水，再继续搅拌10-30min；最后过滤烘干得到表面改性石墨烯微片。

进一步的，所述有机溶剂为NMP、DMF、甲苯、氯苯、三氯乙烯中的至少一种。