[发明专利]一种超临界二氧化碳流体制备二氧化硅/石墨烯复合材料的方法及应用

说明书

本发明涉及一种超临界二氧化碳流体制备二氧化硅/石墨烯复合材料的方法，包括以下步骤：(1)将鳞片石墨通过Hummers法制得氧化石墨烯，并进行冷冻干燥，备用；(2)将正硅酸乙酯与氧化石墨烯混合，入高压球磨罐中并抽真空，将CO₂泵入高压球磨罐，在压力60～150bar，温度20～70℃、转速100～700r/min条件下反应0.5～48h；(3)反应结束后，放去高压球磨罐内的CO₂气体，将反应液从球磨罐中取出，置于聚四氟乙烯水热釜中，在100～200℃条件下，反应6～60h。(4)将上述产物在氮气或氩气保护下升温至400～1000℃进行碳化0.5～12h，冷却、研磨。本发明制得的产品批次性好、二氧化硅颗粒小、分布均匀、锂离子传输能力强，在锂离子电池等领域具有广泛的应用。

技术领域

本发明涉及一种制备二氧化硅/石墨烯复合材料的方法及其应用，特别是涉及一种超临界二氧化碳流体制备二氧化硅/石墨烯复合材料及其作为锂金属负极载体材料和锂硫电池的应用。

背景技术

2017年G20汉堡峰会上，多国确立燃油车的禁售日期，开启了新能源汽车时代新篇章。然而，目前商业化的锂离子二次电池比能量太低，不能满足电动汽车的动力要求。在新的二次电池体系中，以金属锂为负极、单质硫为正极的锂硫电池的理论比能量可达2600Wh/kg，硫的理论比容量达到1675mAh/g，远大于商业化锂离子二次电池，并且硫具有来源丰富、价格低廉和低毒性等特点，使该体系极具商业价值。但是，金属锂在充放电过程中会形成锂枝晶，而锂枝晶会大大降低电池的循环寿命甚至刺穿隔膜造成安全隐患。因此，为了提高锂负极的安全性和循环寿命，锂枝晶的问题急需解决。目前报道最多的解决锂枝晶的方法是构筑多孔载体材料来承载锂金属。例如JieZhao等人采用金属锂合金化方法，然后将锂合金、石墨烯和SBS等混合制浆涂布，得到了一种在大气中稳定锂负极复合材料，其具有较高的循环稳定性(Air-stableandfreestandinglithiumalloy/graphenefoilasanalternativetolithiummetalanodes，NatureNanotechnology，2017，12，993-999)。但上述材料只是延缓了锂枝晶生长，仍旧没有解决锂枝晶问题。

本发明以超临界CO₂流体为溶剂和反应介质，充分发挥其渗透强、扩散性好和溶剂化能力强的特点，合成了一种新型纳米态的二氧化硅/石墨烯复合材料。与其他合成方法相比，超临界方法合成的二氧化硅为量子点尺寸，以二氧化硅/石墨烯复合材料作为金属锂的载体，制备了基于二氧化硅/石墨烯复合材料的锂负极，该材料在锂电沉积过程中能够降低单位体积电流密度，有效防止锂枝晶的产生。同时，该复合材料具有导电性强，安全性高以及电池循环稳定性好等优点，而且制备工艺简单。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种超临界制备二氧化硅/石墨烯复合材料的新方法，该方法具有工艺简单，对环境友好，易于工业化实施等特点。

本发明第二个目的是将所述二氧化硅/石墨烯复合材料作为载体材料应用于锂金属负极中。

本发明的第三个目的是提供一种以所述二氧化硅/石墨烯复合材料作为锂金属负极的锂硫电池。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

本发明提供了一种利用超临界CO₂流体作为溶剂和反应介质制备二氧化硅/石墨烯复合材料的新方法，发挥超临界CO₂流体扩散性好、渗透性强等优势，使硅源均匀扩散至石墨烯中，通过水热处理得到二氧化硅/石墨烯复合材料，所得二氧化硅颗粒细小、在石墨烯表面分布比较均匀。具体而言，所述二氧化硅/石墨烯复合材料的制备方法包括如下步骤：

S1、以鳞片石墨为原料，通过Hummers法制得氧化石墨烯，冷冻干燥后备用；