[发明专利]一种纳米纤维素-硅-石墨微米片柔性电极材料及其制备方法和应用

说明书

一种纳米纤维素‑硅‑石墨微米片柔性电极材料及其制备方法和应用，它涉及材料制备技术领域。本发明的目的是为了解决目前无法将石墨微米片通过简单的方法制备成高柔性电极的问题。该方法使硅纳米颗粒均匀的分散在纳米纤维素纤维上，然后在表面自组装石墨微米片，通过冷冻铸形、冷冻干燥后得到纳米纤维素‑硅‑石墨微米片气凝胶电极，经过液压、辊压成膜后得到纳米纤维素‑硅‑石墨微米片柔性电极材料。本发明采用功能化的纳米纤维素作为柔性基底分散硅纳米颗粒，组装石墨微米片制备柔性复合电极材料，能够保证电极材料的柔性、强度和优异的电化学性能，在具备一定柔性的基础上，弯曲折叠若干次之后，电极材料内部结构及其比容量均能得到良好保持。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种纳米纤维素-硅-石墨微米片柔性电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着柔性、可穿戴便携式电子设备等高科技产品的蓬勃发展，兼顾高容量的同时保持电极良好的柔性，成为了柔性电池面临的主要挑战之一。电极材料作为锂离子电池中最关键的单元，要求其具有高容量、长寿命、耐久的变形能力。硅是迄今为止容量最高的负极材料，被认为是替代石墨负极最有前途的材料。将硅添加在负极材料中，柔性锂离子电池的容量将大大提高。传统的硅负极用铜箔做电极集流体，然后把导电剂，活性物质和粘结剂制成浆料涂在金属箔表面，但是金属箔与材料结合差，柔性电池反复弯曲，活性物质很容易脱离集流体。为了解决这个问题，电极就必须使用本征具有柔性的活性材料。

纤维素作为一种绿色环保的生物质材料，是制备柔性、自支撑硅基电极的理想增强添加剂。超弹性纤维素能使电极具有优异的力学性能，并能减轻硅在循环过程中体积的膨胀或收缩。同时，纤维素之间丰富的孔隙有利于锂离子的传导。

石墨具有很高的电导率和热导率、优异的电化学性能，同时容易加工形成柔性薄膜。将石墨通过机械剪切剥离得到石墨微米片已经是成熟的工艺。相比于石墨烯、碳纳米管，石墨微米片具有成本低廉、生产工艺简单的优点。石墨微米片作为柔性电极导电增强剂，以提高柔性极片的电子导电特性，获得复合导电基体，并担载活性物质。那么，如何将石墨微米片通过简单的方法制备成高柔性电极是现今面临的一个重要的难题。此外，如何制备高容量的同时保持电极良好的柔性的负极材料对构筑高容量的柔性锂离子电池具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前无法将石墨微米片通过简单的方法制备成高柔性电极的问题，针对柔性电子器件的发展趋势，提供了一种纳米纤维素-硅-石墨微米片柔性电极材料及其制备方法和应用。

本发明的一种纳米纤维素-硅-石墨微米片柔性负极材料，所述柔性锂离子电池负极材料是由多层的片状单元堆叠而成，每个片状单元内部为夹心结构，内层是纳米纤维网状骨架，硅纳米颗粒为夹心层被均匀分散在纳米纤维网状骨架上，硅纳米颗粒外包覆一层石墨微米片。

本发明的一种纳米纤维素-硅-石墨微米片柔性负极材料的制备方法，它包括以下步骤：

一、功能化一维纳米纤维素分散液的制备：将整张细菌纤维素膜分散在去离子水中，然后转移到匀浆机中搅拌，得到细菌纤维素浆料；再经室温下氧化，得到羧基化的一维纳米纤维素分散液；

二、硅-纳米纤维素混合液的制备：将硅纳米颗粒分散到去离子水中，充分分散后，加入到步骤一制备的纳米纤维素分散液中，再经搅拌，得分散均匀的硅-纳米纤维素混合液；

三、纳米纤维素-硅-石墨微米片混合液的制备：将石墨微米片导电浆料超声分散后，滴加到步骤二制备的硅-纳米纤维素混合液中，再充分搅拌，得纳米纤维素-硅-石墨微米片混合液；

四、纳米纤维素-硅-石墨微米片气凝胶的制备：步骤三制备的纳米纤维素-硅-石墨微米片混合液倒入表面皿中，冷冻24小时，再转移至冷冻干燥机中干燥24小时，得到纳米纤维素-硅-石墨微米片气凝胶；