CN105047888B - 一种锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池负极材料及其制备方法，包括如下步骤：(1)制备热膨胀石墨片；(2)将纳米硅粉体、蔗糖以及热膨胀石墨片混合，将所得混合物加入乙醇与去离子水混合溶液中搅拌后进行溶液球磨；球磨转速为800～1600rpm，球磨时间为2～4小时，得到负极材料前驱体溶液；(3)将负极材料前驱体溶液干燥后，在保护气体氛围下进行碳化热处理，得到锂离子电池负极材料。该材料的结构特征为纳米硅颗粒均匀分散在石墨烯纳米片基体上，最外层为碳包覆。本发明的制备方法为热处理与溶液球磨结合的方法，具有简单、高效、易于工业化生产等特点。本发明制备的锂离子电池负极材料具有结构稳定、循环性能好等优点。

Description

一种锂离子电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及到一种锂离子电池负极用由碳包覆的硅/石墨烯纳米片复合材料及其制备方法。
背景技术
锂离子二次电池具有工作电压高、比容量大、使用寿命长、无环境污染等一系列显著优点，已被广泛应用于各种便携式电子器件。电子电器小型化、高能化、便携化的趋势，以及电动交通工具的快速发展，对锂离子电池的性能有更高的要求。负极材料作为锂离子电池的关键组成部分，对电池的容量、寿命、安全性、成本等方面具有重要影响。因此，高性能负极材料的研究和开发对提高电池性能、降低成本具有重要意义。硅(Si)具有理论储锂容量高(～4200mAh/g、Li4.4Si)、嵌锂/脱锂电压适中和资源丰富等优点，硅基材料是取代目前商业应用石墨负极(372mAh/g,LiC6)的理想材料。但是纯Si的本征导电率差，以及在脱嵌锂过程中存在严重的体积变化率(>300％)，导致活性材料脱离集流体，极大的影响了硅基负极材料的循环稳定性及应用。
研究表明，纳米粒径的硅在充放电过程中的体积膨胀会显著减小，无论其容量还是循环性能都有很大的提高。但是纳米纯硅材料具有较大的表面能，在循环过程中容易发生团聚从而导致容量的衰减，抵消了纳米颗粒的优势。石墨烯纳米片(Graphenenanosheets,简称GNs，下同)由单层或少层石墨烯组成，具有良好的电学、力学和热学性能。将GNs与纳米硅有效的复合，不仅可以有效阻止纳米颗粒的大量团聚，还可以作为柔性基体缓冲硅在锂离子嵌入脱出过程中的体积效应。此外，热裂解有机物对硅基复合物表面进行无定形碳包覆是制备硅-碳复合物的一种重要方法。无定形碳一方面可以提供更多的电子和锂离子的通道，另一方面可以抑制纳米硅脱锂后的团聚及循环过程中活性物质的脱落。
Carbon杂志2011年第49期1787-1796页报道了通过热还原氧化石墨和加热膨胀石墨制得两种不同性质的石墨烯，然后与纳米硅简单混合，制得两种硅/石墨烯复合材料。通过对比，由热膨胀石墨为碳源的复合材料具有相对更好的稳定性，但在30个循环后也仅能保持80％的首次可逆容量，衰减较为明显。该文献报道的两种材料中，石墨烯与硅均通过简单混合在一起，未能形成有效的结合，在脱嵌锂过程中易发生脱离，所以循环稳定性不佳。
中国专利ZL201110247595.7公开了一种锂离子电池硅石墨烯复合负极材料，通过对纳米硅与氧化石墨烯的混合浆料进行喷雾干燥、还原最后无定形碳包覆制得。该材料结构为石墨烯包覆纳米硅，并形成粒径在微米级的二次颗粒。该材料循环性能良好，但制备工艺繁琐，原料成本高，不适于大规模生产。
如上所述，常见的硅/石墨烯复合负极材料的制备方法通常为先单独获得石墨烯，再将石墨烯与纳米硅进行简单的混合。其中，制备石墨烯的方法主要为机械剥离普通石墨、化学气相沉积和化学或热还原氧化石墨等。然而，机械剥离普通石墨与化学气相沉积制备过程复杂且生产成本高，还原氧化石墨通常需要使用高腐蚀性的强氧化剂和还原剂以及精确的反应条件控制，上述方法均不适于大规模应用。再者，如何将纳米硅均匀分散在制得的石墨烯纳米片中，并实现硅与石墨烯纳米片的有效复合，充分发挥其导电和缓冲基体的作用，至今仍是一个需要解决的热点问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服了现有硅基负极材料结构稳定性差导致的电极循环性能不佳、而且制备工艺不适合工业化生产的缺陷，提供一种由碳包覆的硅/石墨烯纳米片(Si-GNs@C)复合负极材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备热膨胀石墨片；
(2)将纳米硅粉体、蔗糖以及热膨胀石墨片混合，将所得混合物加入乙醇与去离子水混合溶液中搅拌后进行溶液球磨；球磨转速为800～1600rpm，球磨时间为2～4小时，得到Si-GNs@C负极材料前驱体溶液；
(3)将Si-GNs@C负极材料前驱体溶液干燥后，在保护气体氛围下进行碳化热处理，得到Si-GNs@C负极材料；以质量分数计，所述负极材料中纳米硅占20～45％；热膨胀石墨片占15～35％，余量为非晶碳。
步骤(3)所述碳化热处理的温度为600～700℃，升温时间为30～60分钟，保温时间为2～4个小时。
步骤(1)所述热膨胀石墨片的制备：将膨胀石墨原始粉体在保护气体氛围下进行加热，加热温度为1000℃，保温时间为2～3分钟，得到热膨胀石墨片。
步骤(2)所述球磨的球料比为40～60:1。
步骤(1)、(3)所述的保护气体为不与硅、石墨烯纳米片、活性炭发生反应的气体，优选高纯氩气。
步骤(2)所述混合溶液为乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液。
所述膨胀石墨原始粉体的粒度为100目。
膨胀石墨原始粉体的纯度为99.9％。
所述纳米硅粉体的颗粒尺寸为～80nm。
所述纳米硅粉体的纯度为99.9％。
所述蔗糖的纯度为99.9％。
上述方法制备的锂离子电池负极材料，该材料微观结构为纳米硅颗粒均匀分散在石墨烯纳米片基体上，且最外层为整体碳包覆，其中碳包覆层为非晶态(其相应的特征峰在X射线衍射中出现明显宽化)，且均匀包覆在纳米硅外层；所述石墨烯纳米片的厚度在5～12nm之间。
本发明所使用的原材料以及制备方法，具有以下优点和特性：
(1)本发明所使用的原材料均为商业化生产成熟的普通材料，价格低廉且原料充足。
(2)本发明所使用的溶液球磨与热处理结合的制备方法具有简单、高效、对环境无污染等特点，并且技术难度低，具有工业规模化应用前景。
本发明所制备的由碳包覆的硅/石墨烯纳米片(Si-GNs@C)复合负极材料具有以下优点和特性：
(1)复合材料中的热膨胀石墨片在溶液球磨过程中，在机械球磨的机械高能冲击与剪切力以及硬质纳米硅颗粒的助磨作用下，其片层结构被分散剥离，最终转化为石墨烯纳米片并原位包覆在纳米硅颗粒上，能够在脱嵌锂过程中有效阻止纳米硅颗粒团聚并缓冲硅的体积膨胀，充分发挥其良好的离子/电子导通作用。
(2)纳米硅颗粒在球磨过程中均匀分布在石墨烯纳米片的片层之间，并因球磨过程的机械力作用而紧密复合。
(3)蔗糖在热处理后得到非晶碳，能够紧密包覆在整体颗粒外层，增加纳米硅与石墨烯纳米片的结合力，减小复合材料的比表面积，并进一步提高材料的导电性以及结构的稳定性。
(4)本发明溶液球磨过程中得到的石墨烯纳米片可以原位包覆在纳米硅颗粒上，能够在脱嵌锂过程中有效阻止纳米硅颗粒团聚并缓冲硅的体积膨胀，充分发挥其良好的离子/电子导通作用。碳化热处理可以得到均匀的整体非晶碳包覆，能够加强纳米硅与石墨烯纳米片的结合力，减小复合材料的比表面积。因此，本发明制备的锂离子电池负极材料具有结构稳定、循环性能好等优点。
附图说明
图1是本发明所述热处理与溶液球磨结合制备Si-GNs@C复合材料的工艺流程图；
图2(a)、(b)分别是本发明第一步热处理前后膨胀石墨的SEM图；
图3是实施例2两步球磨法制备的Si-GNs@C复合材料的XRD图；
图4是实施例2两步球磨法制备的Si-GNs@C复合材料的TEM图；
图5是实施例2两步球磨法制备的Si-GNs@C复合材料的充放电曲线图；
图6是两步球磨法制备的Si-GNs@C复合材料的循环性能曲线，a为实施例1-4，b为实施例5-7。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
两步球磨法制备Si-GNs@C复合材料的工艺流程如图1所示，并对原始粉体材料配比，热处理工艺(加热时间、加热速率、碳化保温温度)、球磨工艺(球磨时间、球粉比)等进行了调控。
实施例1
将纯度为99.9％、粒度为100目的原始膨胀石墨粉在氩气保护下高温(1000℃)加热2分钟得到热膨胀石墨片，热处理前后膨胀石墨的对比参见图2。由图2所示扫描电镜对比照片可知，热处理后的膨胀石墨有疏松类石墨烯结构，适于作为硅基复合材料的缓冲柔性基体。
将上述热膨胀石墨片2g，与纯度为99.9％、颗粒尺寸为～80纳米的纳米硅粉体2g，以及纯度为99.9％的蔗糖15g加入乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液(200ml)中并进行溶液球磨，球料比为40:1，球磨机转速为1200rpm，球磨时间为2小时，得到Si-GNs@C负极材料前驱体溶液；然后干燥并在氩气下60分钟加热到600℃并保温3小时进行碳化得到Si-GNs@C复合材料；所述纳米硅质量占Si-GNs@C复合材料总质量的20％；所述石墨烯纳米片占Si-GNs@C复合材料总质量的20％；所述非晶碳占Si-GNs@C复合材料总质量的60％。
将制得的Si-GNs@C复合材料，与导电剂super-p和粘结剂CMC按质量比8:1:1均匀混合后涂覆于铜箔，真空干燥12h(100℃)后制得电极片。模拟扣式电池在氩气气氛手套箱内装配，对电极为金属锂片(纯度为99.9％)，电解质为1mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比1:1)溶液。将制备出的扣式电池进行充放电测试，测试条件为：充放电电流密度为0.2Ag-1，充放电截止电压为0.01V～1.5V(vs.Li+/Li)。记录实验结果并列于附图6(a)中。由图6(a)所示循环性能图可知，本实施例所得Si-GNs@C复合材料电极在充放电电流密度为0.2A g-1测试条件下，首次循环放电容量为1050mAh g-1，且在100个循环内可逆容量衰减不到50mAh g-1，表现出优异的循环稳定性。
实施例2
将纯度为99.9％、粒度为100目的原始膨胀石墨粉在氩气保护下高温(1000℃)加热2分钟得到热膨胀石墨片。
将上述热膨胀石墨片2.5g，与纯度为99.9％、颗粒尺寸为～80纳米的硅粉体2.5g，以及纯度为99.9％的蔗糖12.5g加入乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液(200ml)中并进行溶液球磨，球料比为60:1，球磨机转速为1200rpm，球磨时间为2小时；然后干燥并在氩气下60分钟加热到600℃并保温2小时进行碳化得到Si-GNs@C复合材料；所述纳米硅质量占Si-GNs@C复合材料总质量的25％；所述石墨烯纳米片占Si-GNs@C复合材料总质量的25％；所述非晶碳占Si-GNs@C复合材料总质量的50％。
将制得的Si-GNs@C复合材料，与导电剂super-p和粘结剂CMC按质量比8:1:1均匀混合后涂覆于铜箔，真空干燥12h(100℃)后制得电极片。模拟扣式电池在氩气气氛手套箱内装配，对电极为金属锂片(纯度为99.9％)，电解质为1mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比1:1)溶液。将制备出的扣式电池进行充放电测试，测试条件为：充放电电流密度为0.2Ag-1，充放电截止电压为0.01V～1.5V(vs.Li+/Li)。记录实验结果并列于图6(a)中。由图6(a)所示循环性能图可知，本实施例所得Si-GNs@C复合材料电极在充放电电流密度为0.2A g-1测试条件下，首次循环放电容量为1285mAh g-1，且在100个循环内可逆容量维持在800mAh g-1左右，表现出优异的循环稳定性的同时有超过两倍于商用石墨(理论容量：372mAh g-1)的放电容量。
以本实施例所制得的Si-GNs@C复合材料为代表，对其进行了材料表征与电化学特性分析。X射线衍射分析(XRD)结果如图3所示，透射电子显微镜(TEM)结果如图4所示，充放电曲线特性结果如图5所示。如图3所示，Si-GNs@C复合材料的X射线衍射图谱有明显Si与石墨烯纳米片材料特征峰，并在25度左右呈现典型非晶碳的特征非晶包，表明Si-GNs@C复合材料由Si、石墨烯纳米片以及热处理所得非晶碳构成。如图4不同放大倍数的透射电子显微镜照片所示，Si-GNs@C复合材料中的由非晶碳原位包覆的纳米硅可以附着在石墨烯片层上。非晶碳有助于纳米硅更好的与石墨烯片层复合，基于此种结构特征，石墨烯与非晶碳可以更好的发挥导电与体积膨胀缓冲基体的作用。如图5充放电曲线所示，Si-GNs@C复合材料表现出良好的电化学反应可重复性，且体现出硅的特征脱嵌锂反应平台，表明硅为复合材料中的主要活性材料。
实施例3
将纯度为99.9％、粒度为100目的原始膨胀石墨粉在氩气保护下高温(1000℃)加热3分钟得到热膨胀石墨片。
将上述热膨胀石墨片3g，与纯度为99.9％、颗粒尺寸为～80纳米的硅粉体3g，以及纯度为99.9％的蔗糖10g加入乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液(200ml)中并进行溶液球磨，球料比为60:1，球磨机转速为1200rpm，球磨时间为3小时；然后干燥并在氩气下60分钟加热到700℃并保温3小时进行碳化得到Si-GNs@C复合材料；所述纳米硅质量占Si-GNs@C复合材料总质量的30％；所述石墨烯纳米片占Si-GNs@C复合材料总质量的30％；所述非晶碳占Si-GNs@C复合材料总质量的40％。
将制得的Si-GNs@C复合材料，与导电剂super-p和粘结剂CMC按质量比8:1:1均匀混合后涂覆于铜箔，真空干燥12h(100℃)后制得电极片。模拟扣式电池在氩气气氛手套箱内装配，对电极为金属锂片(纯度为99.9％)，电解质为1mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比1:1)溶液。将制备出的扣式电池进行充放电测试，测试条件为：充放电电流密度为0.2Ag-1，充放电截止电压为0.01V～1.5V(vs.Li+/Li)。记录实验结果并列于图6(a)中。由图6(a)所示循环性能图可知，本实施例所得Si-GNs@C复合材料电极在充放电电流密度为0.2A g-1测试条件下，首次循环放电容量为1530mAh g-1，随着复合材料中硅含量的上升，表现出较高的放电容量，表明复合材料中的非晶碳与石墨烯有助于硅与锂离子的充分反应。
实施例4
将纯度为99.9％、粒度为100目的原始膨胀石墨粉在氩气保护下高温(1000℃)加热2分钟得到热膨胀石墨片。
将上述热膨胀石墨片3.5g，与纯度为99.9％、颗粒尺寸为～80纳米的硅粉体3.5g，以及纯度为99.9％的蔗糖7.5g加入乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液(200ml)中并进行溶液球磨，球料比为60:1，球磨机转速为1200rpm，球磨时间为3小时；然后干燥并在氩气下60分钟加热到700℃并保温3小时进行碳化得到Si-GNs@C复合材料；所述纳米硅质量占Si-GNs@C复合材料总质量的35％；所述石墨烯纳米片占Si-GNs@C复合材料总质量的35％；所述非晶碳占Si-GNs@C复合材料总质量的30％。
将制得的Si-GNs@C复合材料，与导电剂super-p和粘结剂CMC按质量比8:1:1均匀混合后涂覆于铜箔，真空干燥12h(100℃)后制得电极片。模拟扣式电池在氩气气氛手套箱内装配，对电极为金属锂片(纯度为99.9％)，电解质为1mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比1:1)溶液。将制备出的扣式电池进行充放电测试，测试条件为：充放电电流密度为0.2Ag-1，充放电截止电压为0.01V～1.5V(vs.Li+/Li)。记录实验结果并列于图6(a)中。由图6(a)所示循环性能图可知，本实施例所得Si-GNs@C复合材料电极在充放电电流密度为0.2A g-1测试条件下，首次循环放电容量为1420mAh g-1，因硅含量的增加体积膨胀效应明显，其容量在长循环过程中呈现逐渐衰减趋势。
实施例5
将纯度为99.9％、粒度为100目的原始膨胀石墨粉在氩气保护下高温(1000℃)加热2分钟得到热膨胀石墨片。
将上述热膨胀石墨片3.5g，与纯度为99.9％、颗粒尺寸为～80纳米的硅粉体2.5g，以及纯度为99.9％的蔗糖10g加入乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液(200ml)中并进行溶液球磨，球料比为50:1，球磨机转速为1200rpm，球磨时间为2小时；然后干燥并在氩气下60分钟加热到600℃并保温2小时进行碳化得到Si-GNs@C复合材料；所述硅粉体质量占Si-GNs@C复合材料总质量的25％；所述石墨烯纳米片占Si-GNs@C复合材料总质量的35％；所述非晶碳占Si-GNs@C复合材料总质量的40％。
将制得的Si-GNs@C复合材料，与导电剂super-p和粘结剂CMC按质量比8:1:1均匀混合后涂覆于铜箔，真空干燥12h(100℃)后制得电极片。模拟扣式电池在氩气气氛手套箱内装配，对电极为金属锂片(纯度为99.9％)，电解质为1mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比1:1)溶液。将制备出的扣式电池进行充放电测试，测试条件为：充放电电流密度为0.2Ag-1，充放电截止电压为0.01V～1.5V(vs.Li+/Li)。记录实验结果并列于图6(b)中。
实施例6
将纯度为99.9％、粒度为100目的原始膨胀石墨粉在氩气保护下高温(1000℃)加热2分钟得到热膨胀石墨片。
将上述热膨胀石墨片2.5g，与纯度为99.9％、颗粒尺寸为～80纳米的硅粉体3.5g，以及纯度为99.9％的蔗糖10g加入乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液(200ml)中并进行溶液球磨，球料比为50:1，球磨机转速为1200rpm，球磨时间为2小时；然后干燥并在氩气下60分钟加热到600℃并保温2小时进行碳化得到Si-GNs@C复合材料；所述硅粉体质量占Si-GNs@C复合材料总质量的35％；所述石墨烯纳米片占Si-GNs@C复合材料总质量的25％；所述非晶碳占Si-GNs@C复合材料总质量的40％。
将制得的Si-GNs@C复合材料，与导电剂super-p和粘结剂CMC按质量比8:1:1均匀混合后涂覆于铜箔，真空干燥12h(100℃)后制得电极片。模拟扣式电池在氩气气氛手套箱内装配，对电极为金属锂片(纯度为99.9％)，电解质为1mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比1:1)溶液。将制备出的扣式电池进行充放电测试，测试条件为：充放电电流密度为0.2Ag-1，充放电截止电压为0.01V～1.5V(vs.Li+/Li)。记录实验结果并列于图6(b)中。
实施例7
将纯度为99.9％、粒度为100目的原始膨胀石墨粉在氩气保护下高温(1000℃)加热2分钟得到热膨胀石墨片。
将上述热膨胀石墨片1.5g，与纯度为99.9％、颗粒尺寸为～80纳米的硅粉体4.5g，以及纯度为99.9％的蔗糖10g加入乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液(200ml)中并进行溶液球磨，球料比为50:1，球磨机转速为1200rpm，球磨时间为2小时；然后干燥并在氩气下60分钟加热到600℃并保温2小时进行碳化得到Si-GNs@C复合材料；所述硅粉体质量占Si-GNs@C复合材料总质量的45％；所述石墨烯纳米片占Si-GNs@C复合材料总质量的15％；所述非晶碳占Si-GNs@C复合材料总质量的40％。
将制得的Si-GNs@C复合材料，与导电剂super-p和粘结剂CMC按质量比8:1:1均匀混合后涂覆于铜箔，真空干燥12h(100℃)后制得电极片。模拟扣式电池在氩气气氛手套箱内装配，对电极为金属锂片(纯度为99.9％)，电解质为1mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比1:1)溶液。将制备出的扣式电池进行充放电测试，测试条件为：充放电电流密度为0.2Ag-1，充放电截止电压为0.01V～1.5V(vs.Li+/Li)。记录实验结果并列于图6(b)中。
实施例8
将纯度为99.9％、粒度为100目的原始膨胀石墨粉在氩气保护下高温(1000℃)加热2分钟得到热膨胀石墨片。
将上述热膨胀石墨片2g，与纯度为99.9％、颗粒尺寸为～80纳米的硅粉体2g，以及纯度为99.9％的蔗糖15g加入乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液(200ml)中并进行溶液球磨，球料比为50:1，球磨机转速为800rpm，球磨时间为4小时；然后干燥并在氩气下60分钟加热到600℃并保温2小时进行碳化得到Si-GNs@C复合材料；所述硅粉体质量占Si-GNs@C复合材料总质量的20％；所述石墨烯纳米片占Si-GNs@C复合材料总质量的20％；所述非晶碳占Si-GNs@C复合材料总质量的60％。
将制得的Si-GNs@C复合材料，与导电剂super-p和粘结剂CMC按质量比8:1:1均匀混合后涂覆于铜箔，真空干燥12h(100℃)后制得电极片。模拟扣式电池在氩气气氛手套箱内装配，对电极为金属锂片(纯度为99.9％)，电解质为1mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比1:1)溶液。将制备出的扣式电池进行充放电测试，测试条件为：充放电电流密度为0.2Ag-1，充放电截止电压为0.01V～1.5V(vs.Li+/Li)。其首周可逆容量为623mAh g-1,循环100周后，容量保持率为91％。
实施例9
将纯度为99.9％、粒度为100目的原始膨胀石墨粉在氩气保护下高温(1000℃)加热2分钟得到热膨胀石墨片。
将上述热膨胀石墨片2g，与纯度为99.9％、颗粒尺寸为～80纳米的硅粉体2g，以及纯度为99.9％的蔗糖15g加入乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液(200ml)中并进行溶液球磨，球料比为50:1，球磨机转速为1600rpm，球磨时间为4小时；然后干燥并在氩气下60分钟加热到600℃并保温2小时进行碳化得到Si-GNs@C复合材料；所述硅粉体质量占Si-GNs@C复合材料总质量的20％；所述石墨烯纳米片占Si-GNs@C复合材料总质量的20％；所述非晶碳占Si-GNs@C复合材料总质量的60％。
将制得的Si-GNs@C复合材料，与导电剂super-p和粘结剂CMC按质量比8:1:1均匀混合后涂覆于铜箔，真空干燥12h(100℃)后制得电极片。模拟扣式电池在氩气气氛手套箱内装配，对电极为金属锂片(纯度为99.9％)，电解质为1mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二甲酯(DMC)(体积比1:1)溶液。将制备出的扣式电池进行充放电测试，测试条件为：充放电电流密度为0.2Ag-1，充放电截止电压为0.01V～1.5V(vs.Li+/Li)。其首周可逆容量为631mAh g-1,循环100周后，容量保持率为92％。
上述实施例仅为本发明的部分实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备热膨胀石墨片；
(2)将纳米硅粉体、蔗糖以及热膨胀石墨片混合，将所得混合物加入乙醇与去离子水混合溶液中搅拌后进行溶液球磨；球磨转速为800～1600rpm，球磨时间为2～4小时，得到负极材料前驱体溶液；
(3)将负极材料前驱体溶液干燥后，在保护气体氛围下进行碳化热处理，得到锂离子电池负极材料；以质量分数计，所述负极材料中纳米硅占20～45％；热膨胀石墨片占15～35％，余量为非晶碳。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述碳化热处理的温度为600～700℃，升温时间为30～60分钟，保温时间为2～4个小时。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述热膨胀石墨片的制备：将膨胀石墨原始粉体在保护气体氛围下进行加热，加热温度为1000℃，保温时间为2～3分钟，得到热膨胀石墨片。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述膨胀石墨原始粉体的粒度为100目，膨胀石墨原始粉体的纯度为99.9％。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述球磨的球料比为40～60:1。
6.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)、(3)所述的保护气体为高纯氩气。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述混合溶液为乙醇与去离子水体积比1:1的混合溶液。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的制备方法，其特征在于，所述纳米硅粉体的颗粒尺寸为80nm，纳米硅粉体的纯度为99.9％，所述蔗糖的纯度为99.9％。
9.权利要求1～8任一项所述方法制备的锂离子电池负极材料。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，该材料微观结构为纳米硅颗粒均匀分散在石墨烯纳米片基体上，且最外层为整体碳包覆，其中碳包覆层为非晶态，且均匀包覆在纳米硅外层；所述石墨烯纳米片的厚度在5～12nm之间。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107768607B (zh) * 2016-08-15 2020-10-16 福建新峰二维材料科技有限公司 一种锂离子电池负极材料的制备方法
CN109285995A (zh) * 2017-07-21 2019-01-29 北京碳极极电科技有限公司 一种石墨烯锂离子电池负极复合材料的制备方法
CN108199011B (zh) * 2017-11-20 2021-10-26 深圳市斯诺实业发展有限公司 一种钛酸锂负极材料的制备方法
CN110137440A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 Tcl集团股份有限公司 一种锂离子电池负极材料及其制备方法
CN109411714B (zh) * 2018-09-12 2022-12-09 西安交通大学 一种高容量高稳定性硅碳负极材料及其制备方法
CN109873152B (zh) * 2019-02-27 2021-02-19 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种锂离子电池用石墨烯-硅基复合负极材料及其制备方法
AU2020307520A1 (en) * 2019-06-28 2022-02-10 Talga Technologies Limited Silicon and graphite containing composite material and method for producing same
CN110429265B (zh) * 2019-08-13 2021-02-02 四川轻化工大学 一种锂离子电池用MEG/Si/C复合负极材料及其制备方法
CN110571415B (zh) * 2019-08-15 2021-01-05 中南大学 一种硅碳负极材料和制备方法
CN114512654A (zh) * 2022-02-25 2022-05-17 松山湖材料实验室 一种织构炭包覆的纳米硅复合粉体及其制备方法以及应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102306757A (zh) * 2011-08-26 2012-01-04 上海交通大学 锂离子电池硅石墨烯复合负极材料及其制备方法
CN103022453A (zh) * 2013-01-10 2013-04-03 上海中聚佳华电池科技有限公司 锂离子电池负极材料Si@SiOx/石墨烯复合物及其制备方法
CN103035891A (zh) * 2011-10-09 2013-04-10 海洋王照明科技股份有限公司 石墨烯纳米片与硅复合电极材料及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102306757A (zh) * 2011-08-26 2012-01-04 上海交通大学 锂离子电池硅石墨烯复合负极材料及其制备方法
CN103035891A (zh) * 2011-10-09 2013-04-10 海洋王照明科技股份有限公司 石墨烯纳米片与硅复合电极材料及其制备方法
CN103022453A (zh) * 2013-01-10 2013-04-03 上海中聚佳华电池科技有限公司 锂离子电池负极材料Si@SiOx/石墨烯复合物及其制备方法

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