[发明专利]一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料，为具有褶皱结构和大孔/介孔的随机定向片状结构相互连接构成的三维多孔框架结构，其中硅氧化物的颗粒直径为40～200nm，均匀分散在三维石墨烯气凝胶网络的内部和表面；按百分数计，硅为8～23％，氧为47～82％，碳为10～30％；BET比表面积为160～210m²/g。本发明的稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料应用于锂离子电池，不仅具有长循环寿命、高比容量等优点，而且原料来源广泛，便于大规模生产，价格便宜，操作安全，副产品易于回收，实现绿色无污染生产。本发明还公开了稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法与应用方法。

技术领域

本发明涉及新能源储能技术领域，涉及一种锂离子电池负极材料及其制备与应用，更具体地说是涉及一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着锂离子电池技术的不断发展，其在军事、航天、民用等领域发挥着越来越重要的作用，被广泛应用在电子设备、动力汽车和静态储能等领域，尤其是新能源汽车，其作为国家战略新兴产业之一，未来市场巨大。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，决定着锂离子电池的性能及安全性。目前市场上应用最广泛的负极材料的容量已经接近其理论容量372mAh g^-1，提升空间十分有限，其低能量密度严重限制了锂离子电池的广泛应用。因此，开发高比能量、长寿命和低成本的锂离子电池成为亟待解决的问题，也是解决电动汽车里程焦虑的关键途径。

硅基负极材料如纯硅、硅氧化物，该类材料具有比容量高、低脱锂电位等优势被认为是下一代锂离子电池极具应用前景的负极材料。然而，硅基负极材料的生产成本高及脱嵌锂过程中体积变化巨大，导致材料粉化、脱落及容量衰减，这限制了该类材料在锂离子电池中的广泛应用，特别是复杂的生产工艺，会大大提高成本，不利于硅基锂离子电池的市场化。如何在提升硅基材料性能的同时降低其成本，是市场的研究热点。如从生产成本角度出发，可寻找廉价硅源并简化生产工艺，从材料性能角度出发，可将材料纳米化并复合其他材料。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术中稻壳中的硅元素被大部分浪费的问题和缺陷，将稻壳变为高附加值的原料。而提供一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料，为具有褶皱结构和大孔/介孔的随机定向片状结构相互连接构成的三维多孔框架结构，其中硅氧化物的颗粒直径为40～200nm，均匀分散在三维石墨烯气凝胶网络的内部和表面；按百分数计，硅为8～23％，氧为47～82％，碳为10～30％；BET比表面积为160～210m²/g。

为了实现上述目的，本发明采用的另一技术方案是：

一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将稻壳采用超纯水清洗干净，浸泡于浓度为0.1～5mol/L的酸溶液中，在80～100℃下保持8～24h并不断搅拌，通过离心分离并用超纯水洗至中性，置于烘箱中烘干；

步骤2、将步骤1得到的产物平铺于瓷舟中，置于惰性气氛的管式炉内，以升温速率为2～5℃/min，在400～600℃保持1～4h，自然冷却到室温；

步骤3、将步骤2得到的产物置于浓度为1～3mol/L的NaOH溶液中回流搅拌，在25～130℃下保持2～6h后，过滤后，得到滤液；

步骤4、向步骤3得到的滤液中按照质量比1：(0.1～0.5g)加入十六烷基三甲基溴化铵，待固体溶解后，在25～80℃下滴加酸溶液至pH＝1～10并保持3～24h得到白色沉淀，将沉淀过滤并洗涤至中性并干燥；