[发明专利]一种多孔硅/二氧化钛/石墨烯复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种多孔硅/二氧化钛/石墨烯复合材料及其制备方法与应用。本发明公开了一种多孔硅/二氧化钛/石墨烯复合材料，包括：二氧化钛包覆的多孔硅复合材料和支撑二氧化钛包覆的多孔硅复合材料的还原氧化石墨烯；所述还原氧化石墨掺杂有强电负性元素。该复合材料兼具硅类材料的高的储锂特性和碳材料高循环稳定性，具有比容量高，循环稳定性好，倍率性能和安全性能优异的特点，且制备原料价格低廉。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种多孔硅/二氧化钛/石墨烯复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着时代的进步，智能手机、平板，手环等便携式电子产品和电动汽车等飞速发展，自然而然衍生出了对电池性能的更高要求，传统的电池已经有些跟不上科技现状及人们需求的发展了，因而开发具有更高性能的电池显得尤为迫切，在过去的几年间，锂离子电池在商业推广中取得了巨大的成功，因其高的能量密度，无记忆效应，自放电效应小和制造技术成熟等优点。锂离子电池目前已被作为主要的能源存储技术应用到便携式电子设备上，同时也正在被考虑用在其它更广泛的市场如大规模电网储能。由于环境友好、相对更高的能量密度和更稳定的性能，在电动交通工具的市场上，锂离子电池甚至逐渐超过便携式电子设备的市场规模。但是，大多数的电动交通工具还无法完全替代传统的交通工具，其主要原因在于续航里程。其次充电所能维持的续航里程取决于电池的质量能量密度和体积能量密度。单方面增加电池组的体积不仅会增加成本，同时也会增加整个电动交通工具的质量。所以，人们需要在成本、续航里程、电池组体积和整个电动交通工具质量这几点上权衡。

目前，市场上已存在续航里程足够的电动交通工具，但是昂贵的电池组装和系统设计极大地增加了成本。在这种背景下，人们迫切需要高能量密度和功率密度，成本低廉且具有高安全性的电池.当下的锂离子电池体系，尤其是正负极材料体系已逐渐无法满足，故而未来对锂离子电池也提出了更高的要求，需要更高的能量密度、更好的循环寿命、更好的高低温充放电性能和安全性能等，这就要求锂离子电池用正极、负极材料需要得到进一步地发展与完善。

目前市面上人们常用的负极材料为石墨类负极。石墨的理论克容量为372mAh/g。但是，随着石墨产业的日趋成熟，目前高端石墨已经可以达到360-365mAh/g,已非常接近理论容量。在这种情况下，石墨负极材料已经很难满足人们日益增长的对更高能量密度的需求。而硅材料的常温理论克容量为3580mAh/g,高温理论克容量为4200mAh/g。与石墨相比，硅的理论克容量接近其十倍。同时，硅还具有脱锂电位相对较低(0.4V)、环境友好、资源丰富等优点，故被认为是非常具有潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。

当然，硅材料在实际应用过程中也存在较多问题，问题根源则主要在于硅的体积膨胀问题。硅在满嵌锂后体积膨胀为320％，这样巨大的体积膨胀会延伸出各种问题:

1)硅颗粒本身在反复脱嵌锂过程中会由于承受不了体积形变带来的巨大应力而导致自身颗粒的粉化；

2)巨大的体积形变使得硅的颗粒与颗粒之间或者颗粒与集流体之间失去电接触，甚至活性物质直接从集流体上脱落；

3)巨大的体积形变会造成硅表面的SEI不断破裂和生成，大量消耗电解液和活性锂，同时也会增加电池的极化。

为了解决这些科学问题，目前针对硅基负极材料的研究主要是包括不同维度的纳米化硅，硅的碳包覆，氧化亚硅材料，硅/金属合金以及配套硅负极使用的导电添加剂，电解液和粘接剂等。但是这些方法或多或少都存在这样或者那样的缺点，例如纳米化硅成本高昂，而现有的硅碳负极材料中，锂离子脱嵌过程中难以保持活性硅材料的结构稳定性，导致循环稳定性，倍率性能和安全性能不理想，且采用贵金属作为催化剂成本高，一氧化硅的成本也较高等。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多孔硅/二氧化钛/石墨烯复合材料及其制备方法与应用，该复合材料兼具硅类材料的高的储锂特性和碳材料高循环稳定性，具有比容量高，循环稳定性好，倍率性能和安全性能优异的特点，且制备原料价格低廉。