[发明专利]一种硅/石墨烯复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种硅/石墨烯复合负极材料及其制备方法和应用。具体地，本发明公开了一种硅/石墨烯复合负极材料，所述硅/石墨烯复合负极材料经热解处理前体材料得到，所述前体材料包含；i)负极活性材料，所述负极活性材料为硅/石墨烯掺杂主体材料；ii)导电剂；和iii)粘结剂，所述粘结剂为含氮聚合物。本发明还公开了所述硅/石墨烯复合负极材料的制备方法和应用。所述硅/石墨烯复合负极材料具有良好的机械稳定性，其中的硅/石墨烯掺杂主体材料可在长效循环中保持结构稳定、维持电极的高库伦效率和容量持有率。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，具体地涉及一种硅/石墨烯复合负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

硅作为具有最高理论容量(4200毫安时/克)的负极材料，在高能量密度电池产业中的应用前景不可限量，然而其在循环过程中存在超过300％的体积变化，导致硅颗粒不断发生破裂，界面钝化层反复破损修复并变厚，进而严重加剧电池极化现象及容量损耗。

石墨烯具有优异的机械稳定性和导电性，且其本身即为电池负极材料并具有较高的容量(600毫安时/克)。

因此，硅/石墨烯复合材料虽然相比纯硅负极材料容量更低，但其循环寿命及稳定性均可以得到有效改善。

目前，本领域通常通过水热法合成硅/石墨烯复合材料，但是研究重点较多地集中在合成方法的改性上，主要试图通过制备方法的改性以获得循环效果更好的硅/石墨烯复合材料。然而，在合成方法改性路线上，生成产物与合成过程的相互演变关系较为复杂，生成产物结构不可预见性较大，且循环改善结果不明显，循环过程中硅/石墨烯分离现象依然存在，这无疑会导致电极粉化并伴随界面膜增厚、阻抗增加、电池极化增大和容量严重损耗等。

综述所述，虽然本领域目前已存在可选的硅/石墨烯复合负极材料及其制备方法，但是现有硅/石墨烯复合负极材料的结构稳定性及循环效果均尚难以令人满意。

因此，本领域迫切需要开发一种可同时具有稳定维持硅/石墨烯复合结构且维持高循环效率的硅/石墨烯复合负极材料及其制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构稳定且电化学性能优异的硅/石墨烯复合负极材料及其制备方法和应用。

本发明的第一方面，提供了一种硅/石墨烯复合负极材料，所述硅/石墨烯复合负极材料经热解处理前体材料得到，所述前体材料包含；

i)负极活性材料，所述负极活性材料为硅/石墨烯掺杂主体材料；

ii)导电剂；和

iii)粘结剂，所述粘结剂为含氮聚合物。

在另一优选例中，所述含氮聚合物选自下组：聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚丙烯酰胺、或其组合。

在另一优选例中，所述热解处理的处理温度为350-650℃；和/或

所述热解处理的处理时间为10-300分钟。

在另一优选例中，所述热解处理为原位热解处理。

在另一优选例中，所述热解处理的处理温度为380-620℃，较佳地390-600℃，更佳地400-550℃，最佳地400-500℃。

在另一优选例中，所述热解处理的处理时间为20-250分钟，较佳地30-200分钟，更佳地45-150分钟。

在另一优选例中，所述热解处理的升温速率为1－30℃/min，较佳地2－25℃/min，更佳地3－15℃/min，最佳地4-10℃/min。

在另一优选例中，所述前体材料中负极活性材料、导电剂和粘结剂的重量比为55-85：5-15：10-30。