[发明专利]一种膨胀石墨/硅/碳复合电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于锂离子电池复合电极材料技术领域，公开了一种膨胀石墨/硅/碳复合电极材料及其制备方法，包括以下步骤：将硅纳米颗粒进行表面羟基化处理后清洗、干燥，得到羟基化硅纳米颗粒；将膨胀石墨、羟基化硅纳米颗粒加入分散剂中均匀分散，得到分散液；将碳源加入分散液中搅拌均匀，浓缩，得到分散浆料；将分散浆料干燥得到复合材料前驱体，对复合材料前驱体进行热处理，得到膨胀石墨/硅/碳复合电极材料。制得的膨胀石墨/硅/碳复合电极材料中，由于膨胀石墨的高导电性能够很好的将电子传导到单质硅上，提高其导电性，又能有效抑制硅的体积膨胀并将硅与电解质隔离，充分发挥硅的高容量特性，提高其稳定性，适合作为电池的电极材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池复合电极材料领域，具体涉及一种膨胀石墨/硅/碳复合电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有放电电压大、电池容量大、自放电少、不存在记忆效应、寿命长、充放电快以及环保等特点，现已成为许多设备如计算机、移动电话和平板电脑的理想电源，其他如新能源汽车、航空航天、火箭、人造卫星等领域也与锂电池的应用都有着千丝万缕的联系。研究工作者在物质创新的基础上研制出一种能量密度高、安全性高的高能锂离子电池迫在眉睫。

碳材料是人们首先开始应用到锂离子电池的负极材料，它具有导电性好，使用寿命高，体积变化小等优点，但也具有比容量较低，高放大倍率的放电性能等缺陷。与石墨类负极材料相比，在地壳中含量较高的硅材料的理论比容量是目前所研究的负极材料中最高的，完全嵌锂时可高达4200mAh/g。并且它具有良好的充放电平台和较低的嵌锂电位(～0.4V vs.Li/Li⁺)，被认为是下一代高性能锂离子电池的负极材料。但是，硅材料在循环过程中的发生的体积效应会造成电池严重的破坏，电极结构的稳定性也会被破坏，导致活性物质与集流体的分离，使硅材料在循环过程中放电容量迅速下降，其实际应用也受到严重阻碍；另外，硅在进行电池反应时巨大的体积变化（可膨胀到初始体积的300%～400%）容易导致硅表面上反复形成SEI膜，造成循环过程中的低库仑效率；同时，硅是半导体，本征电导率比较低，只有6.7×10⁴S·cm^-1。这些原因导致硅材料比容量高的优点不能体现，循环性能也较差，最终使电极失效，因此在很大程度上限制了硅的商业用途。

为了解决这些问题，四川创能新能源材料有限公司《一种纳米硅的分散方法》专利号CN201910443514.7中提出将粗硅粉经气流分散并溶于极性溶剂中配成固含量10％～15％的硅溶液，通过在球磨过程中精确地加入十六烷基三甲基溴化铵离子分散剂，有效改善浆料流动性，增强浆料稳定性，并提高了球磨的效能，使制备的纳米硅粉成片性能好，颗粒粒径均匀，具有较好的分散结构。这样极大地提高了制备的硅粉的电化学性能，从而能有效改善硅电极材料的电化学性能，提高电池的比容量和库仑效率，改善电池的循环性能。江西先材纳米纤维科技有限公司《一种锂离子电池硅材料用高性能粘结剂及其制备方法》专利号CN201410761021.5中提供了一种锂离子电池硅负极用粘结剂，它是聚丙烯腈共聚物，所述共聚物的聚合单体除丙烯腈外还包括第二单体和第三单体；所述的第二单体是衣康酸单丁酯单体，所述的第三单体选自衣康酸、丙烯磺酸钠、丙烯酰胺、氨基、吡啶基或酰胺基单体、丙烯酸正丁酯或丙烯酸甲酯中的任意一种或两种以上的混合物。所述的粘结剂比现有的粘结剂具有更好的粘结力，能有效改善硅材料在充放电过程中的膨胀，能够改善硅电极在循环过程中的性能。上述两个专利虽然有所改善硅电极的电化学性能，但是仍存在两者只从改变硅自身物理结构来改变它的化学性能而无法提高硅电极的稳定性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种膨胀石墨/硅/碳复合电极材料及其制备方法。

基于上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种膨胀石墨/硅/碳复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将硅纳米颗粒进行表面羟基化处理后清洗、干燥，得到羟基化硅纳米颗粒；