[发明专利]一种碳纤维-硅-氧化石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维‑硅‑氧化石墨烯复合材料，由含硅颗粒的碳纤维层与氧化石墨烯层交替组合构成多层三维网状结构。该复合材料将纳米硅颗粒包裹入多孔碳纤维当中，避免纳米硅颗粒同电解液直接接触，碳纤维网络和氧化石墨烯形成了三维的导电网络，增强了材料的导电性，提高了硅作为负极材料的循环性能和倍率性能；且该多层三维纤维网状材料具有自支撑结构，可以直接用作电极，避免使用粘结剂，有利于增强材料导电性，保证法拉第反应中快速电子传输，缩短离子迁移距离，很好的提高了材料电化学性能，具有工业化前景。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料的技术领域，尤其涉及一种碳纤维-硅-氧化石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

21世纪以来，经济和科技的迅猛发展的同时，环境污染问题和能源危机正严重威胁着人类的生存和发展，因此发展低碳经济和开发绿色能源技术具有十分重要的意义，为了实现高能量转换效率与能量密度，发展高性能电化学储能技术已成为研究的一个重点。作为储能电池中的一员，锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等优点，被广泛应用于便携式电子设备(如手机、笔记本电脑、数码照相机等)和电动工具等领域，并且逐步向电动汽车、大规模储能工程等高功率系统领域拓展，这对锂离子电池的性能和安全性也提出了越来越高的要求。

提高锂离子电池的能量密度、功率密度、安全性和使用寿命，并降低成本，关键在于高性能电极材料的研发。目前商业化的锂离子电池石墨负极由于其较低的理论比容量(372mAh·g^-1)限制了其应用，而硅因为具有最高的理论储锂容量(4200mAh·g^-1)、适中的电压平台、资源丰富、价格低廉、环境友好等优点被认为是最有潜力取代石墨的新型负极材料之一。但是硅本征导电性差(6.7·10^-4S·cm^-1)，充放电过程中伴随着巨大的体积变化(超过300％)，使电极活性材料与集流体丧失接触，材料粉化，比容量衰减迅速，限制了其实际应用。目前，研究者们提出了很多方法来改善硅的循环和倍率性能，主要思路集中在硅的纳米化、Si/C复合和预置膨胀空间上。构筑不同层次结构(如核壳结构、阵列结构、多孔结构、薄膜结构)硅基材料的制备方法包括化学气相沉积、镁热还原法、化学刻蚀法等，这些方法通常过程复杂、繁琐、不可控、产量较低，危险性高，成本高，不利于大批量制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维-硅-氧化石墨烯复合材料及其制备方法，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。

一种碳纤维-硅-氧化石墨烯复合材料，由含硅颗粒的碳纤维层与氧化石墨烯层交替组合构成多层三维网状结构。

一种碳纤维-硅-氧化石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将硅纳米颗粒和前驱体混合，将混合液通过静电纺丝成膜，得到所述含硅颗粒的碳纤维层；

S2、将氧化石墨烯层覆盖在所述含硅颗粒的碳纤维层上；

S3、重复若干次所述步骤S1和S2，得到多层结构，将所述多层结构进行预氧化，然后在300-1000℃下进行碳化，得到所述多层三维网状结构。

其中，硅纳米颗粒和前驱体混合的方法包括超声、磁力搅拌、匀浆机打匀和加热中的一种或多种。

将混合液通过静电纺丝成膜过程中，硅/碳纤维的直径可以通过调节纺丝溶液浓度、纺丝电压、液体流速来控制，使得静电纺丝技术制备的硅/碳纤维直径范围在0.2μm～2μm。

在一些实施方式中，静电纺丝的纺丝电压为8-20kV，所述混合液的流速为1-50μL/min。其优选的条件为：混合液浓度10％，纺丝电压10kV，液体流速为12μL/min。

其中，步骤S3中的碳化温度优选为500℃-800℃。