CN108807940A - 一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于碳硅材料技术领域，具体涉及一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，按照如下步骤：步骤1，将鳞片石墨加入至聚丙烯酸钠水溶液中超声30‑60min，然后加入造粒装置中造粒，得到石墨颗粒；步骤2，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；步骤3，将硅分散液均匀喷涂在石墨颗粒表面，然后加入烘干，形成硅包裹石墨颗粒；步骤4，将硅包裹石墨颗粒加入至反应釜中进行还原反应2‑3h，得到硅包裹石墨烯材料；步骤5，将羟乙基纤维素加入至蒸馏水中形成粘稠液，然后均匀涂覆在硅包裹石墨烯材料表面，得到碳包裹颗粒；步骤6，将碳包裹颗粒加入至反应釜中非氧碳化反应2‑5h，冷却后得到石墨烯增强碳硅复合材料。

Description

一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于碳硅材料技术领域，具体涉及一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池由于具有电压高、循环性能好、自放电量小、无记忆效应等突出优点，已广泛应用于移动终端、数码产品及便携式移动设备、电动汽车和储能电站等领域。但是，随着新能源汽车市场高速发展，目前锂离子电池很难满足新能源汽车长续航能力的要求，因此开发高能量密度电池产品已成为锂电行业迫切需求。
商业化锂电池使用的负极材料主要是传统石墨，但是石墨本身的理论比容量低(374mAh/g)，目前石墨比容量已接近其理论比容量，其容量提高很难再有突破性进展。硅材料作为负极材料理论比容量较高(4200mAh/g)，且硅在嵌锂和脱锂反应中电压怕平台低，不会在表面析锂，安全性好，受到材料界普遍的关注与研究。但是硅也有很明显的缺点，硅电导率低；此外，硅循环过程中体积膨胀变化巨大，易发生粉化、活性物质与集流体失去电接触，甚至进一步从集流体脱落，最终造成循环性能的严重衰减；另外，膨胀导致形成的SEI膜破裂，暴露出新的界面，继续形成新的SEI膜，导致循环之后硅颗粒外层的SEI膜越来越厚，最终阻隔了锂离子的嵌入。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，解决了硅材料膨胀问题，利用内部石墨烯的强硬度和包裹碳的致密性，能够有效的稳定硅材料的结构，降低膨胀变化。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，按照如下步骤：
步骤1，将鳞片石墨加入至聚丙烯酸钠水溶液中超声30-60min，然后加入造粒装置中造粒，得到石墨颗粒；
步骤2，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；
步骤3，将硅分散液均匀喷涂在石墨颗粒表面，然后加入烘干，形成硅包裹石墨颗粒；
步骤4，将硅包裹石墨颗粒加入至反应釜中进行还原反应2-3h，得到硅包裹石墨烯材料
步骤5，将羟乙基纤维素加入至蒸馏水中形成粘稠液，然后均匀涂覆在硅包裹石墨烯材料表面，得到碳包裹颗粒；
步骤6，将碳包裹颗粒加入至反应釜中非氧碳化反应2-5h，冷却后得到石墨烯增强碳硅复合材料。
所述步骤1中鳞片石墨在水中的浓度为30-60g/L，所述聚丙烯酸钠水溶液的浓度为10-40g/L，所述超声反应的频率为20-40kHz，温度为40-60℃。
所述步骤1中的造粒的粒径为1-5mm，温度为100-120℃。
所述步骤2中的纳米硅材料在无水乙醇中的浓度为30-60g/L，所述硅烷偶联剂的加入量是纳米硅材料质量的5-10％。
所述步骤3中的硅分散液的喷涂量是0.1-0.4g/cm2，所述烘干的温度为80-90℃。
所述步骤4中的还原反应采用氢气反应，温度为300-400℃。
所述步骤5中的羟乙基纤维素在蒸馏水中的浓度为0.3-0.8mg/mL，所述粘稠液的涂覆量2-5mL/cm2。
所述步骤6中的非氧碳化反应在氮气氛围下反应，反应温度为800-900℃。
步骤1将鳞片石墨加入至水溶液中形成悬浊液，并利用聚丙烯酸钠作为粘稠连接剂，形成预制液，然后在造粒装置内造粒形成石墨颗粒。
步骤2将纳米硅材料加入至无水乙醇中形成良好的悬浊分散体系，然后加入硅烷偶联剂，能够形成混合结构的硅基分散液；
步骤3将硅基分散液包裹至石墨颗粒表面，能够形成硅基包裹层；
步骤4采用还原反应将硅基包裹层内的硅烷偶联剂转化为硅材料，并且将石墨转化为石墨烯结构，同时将聚丙烯酸钠中的水分去除，降低增加石墨烯之间粘结牢固度，也能够提升石墨烯与硅层的接触面积和连接牢固度。
步骤5采用羟乙基纤维素加入至蒸馏水中形成粘稠液，并且均匀涂覆在硅层表面形成硅层表面的碳包裹。
步骤6将碳包裹羟乙基纤维素转化为碳结构，能够形成良好的碳硅复合材料。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明解决了硅材料膨胀问题，利用内部石墨烯的强硬度和包裹碳的致密性，能够有效的稳定硅材料的结构，降低膨胀变化。
2.本发明将羟丙基作为碳包裹剂，不仅能够起到良好的包裹性，同时也能够转化为致密的碳层结构。
3.本发明采用纳米硅材料和硅烷偶联剂的联合作用，形成致密的硅材料结构，提高其性能。
4.本发明采用石墨烯作为内核材料，能够在使用过程中降低可压缩性，同时也提升电极材料的致密性。
具体实施方式
结合实施例详细说明本发明，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，按照如下步骤：
步骤1，将鳞片石墨加入至聚丙烯酸钠水溶液中超声30min，然后加入造粒装置中造粒，得到石墨颗粒；
步骤2，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；
步骤3，将硅分散液均匀喷涂在石墨颗粒表面，然后加入烘干，形成硅包裹石墨颗粒；
步骤4，将硅包裹石墨颗粒加入至反应釜中进行还原反应2h，得到硅包裹石墨烯材料
步骤5，将羟乙基纤维素加入至蒸馏水中形成粘稠液，然后均匀涂覆在硅包裹石墨烯材料表面，得到碳包裹颗粒；
步骤6，将碳包裹颗粒加入至反应釜中非氧碳化反应2h，冷却后得到石墨烯增强碳硅复合材料。
所述步骤1中鳞片石墨在水中的浓度为30g/L，所述聚丙烯酸钠水溶液的浓度为10g/L，所述超声反应的频率为20kHz，温度为40℃。
所述步骤1中的造粒的粒径为1mm，温度为100℃。
所述步骤2中的纳米硅材料在无水乙醇中的浓度为30g/L，所述硅烷偶联剂的加入量是纳米硅材料质量的5％。
所述步骤3中的硅分散液的喷涂量是0.1g/cm2，所述烘干的温度为80℃。
所述步骤4中的还原反应采用氢气反应，温度为300℃。
所述步骤5中的羟乙基纤维素在蒸馏水中的浓度为0.3mg/mL，所述粘稠液的涂覆量2mL/cm2。
所述步骤6中的非氧碳化反应在氮气氛围下反应，反应温度为800℃。
实施例2
一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，按照如下步骤：
步骤1，将鳞片石墨加入至聚丙烯酸钠水溶液中超声60min，然后加入造粒装置中造粒，得到石墨颗粒；
步骤2，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；
步骤3，将硅分散液均匀喷涂在石墨颗粒表面，然后加入烘干，形成硅包裹石墨颗粒；
步骤4，将硅包裹石墨颗粒加入至反应釜中进行还原反应3h，得到硅包裹石墨烯材料
步骤5，将羟乙基纤维素加入至蒸馏水中形成粘稠液，然后均匀涂覆在硅包裹石墨烯材料表面，得到碳包裹颗粒；
步骤6，将碳包裹颗粒加入至反应釜中非氧碳化反应5h，冷却后得到石墨烯增强碳硅复合材料。
所述步骤1中鳞片石墨在水中的浓度为60g/L，所述聚丙烯酸钠水溶液的浓度为40g/L，所述超声反应的频率为40kHz，温度为60℃。
所述步骤1中的造粒的粒径为5mm，温度为120℃。
所述步骤2中的纳米硅材料在无水乙醇中的浓度为60g/L，所述硅烷偶联剂的加入量是纳米硅材料质量的10％。
所述步骤3中的硅分散液的喷涂量是0.4g/cm2，所述烘干的温度为90℃。
所述步骤4中的还原反应采用氢气反应，温度为400℃。
所述步骤5中的羟乙基纤维素在蒸馏水中的浓度为0.8mg/mL，所述粘稠液的涂覆量5mL/cm2。
所述步骤6中的非氧碳化反应在氮气氛围下反应，反应温度为900℃。
实施例3
一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，按照如下步骤：
步骤1，将鳞片石墨加入至聚丙烯酸钠水溶液中超声50min，然后加入造粒装置中造粒，得到石墨颗粒；
步骤2，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；
步骤3，将硅分散液均匀喷涂在石墨颗粒表面，然后加入烘干，形成硅包裹石墨颗粒；
步骤4，将硅包裹石墨颗粒加入至反应釜中进行还原反应2h，得到硅包裹石墨烯材料
步骤5，将羟乙基纤维素加入至蒸馏水中形成粘稠液，然后均匀涂覆在硅包裹石墨烯材料表面，得到碳包裹颗粒；
步骤6，将碳包裹颗粒加入至反应釜中非氧碳化反应4h，冷却后得到石墨烯增强碳硅复合材料。
所述步骤1中鳞片石墨在水中的浓度为50g/L，所述聚丙烯酸钠水溶液的浓度为30g/L，所述超声反应的频率为30kHz，温度为50℃。
所述步骤1中的造粒的粒径为3mm，温度为110℃。
所述步骤2中的纳米硅材料在无水乙醇中的浓度为50g/L，所述硅烷偶联剂的加入量是纳米硅材料质量的8％。
所述步骤3中的硅分散液的喷涂量是0.3g/cm2，所述烘干的温度为85℃。
所述步骤4中的还原反应采用氢气反应，温度为350℃。
所述步骤5中的羟乙基纤维素在蒸馏水中的浓度为0.6mg/mL，所述粘稠液的涂覆量4mL/cm2。
所述步骤6中的非氧碳化反应在氮气氛围下反应，反应温度为850℃。
性能测试
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明解决了硅材料膨胀问题，利用内部石墨烯的强硬度和包裹碳的致密性，能够有效的稳定硅材料的结构，降低膨胀变化。
2.本发明将羟丙基作为碳包裹剂，不仅能够起到良好的包裹性，同时也能够转化为致密的碳层结构。
3.本发明采用纳米硅材料和硅烷偶联剂的联合作用，形成致密的硅材料结构，提高其性能。
4.本发明采用石墨烯作为内核材料，能够在使用过程中降低可压缩性，同时也提升电极材料的致密性。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，其特征在于：按照如下步骤：
步骤1，将鳞片石墨加入至聚丙烯酸钠水溶液中超声30-60min，然后加入造粒装置中造粒，得到石墨颗粒；
步骤2，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；
步骤3，将硅分散液均匀喷涂在石墨颗粒表面，然后加入烘干，形成硅包裹石墨颗粒；
步骤4，将硅包裹石墨颗粒加入至反应釜中进行还原反应2-3h，得到硅包裹石墨烯材料
步骤5，将羟乙基纤维素加入至蒸馏水中形成粘稠液，然后均匀涂覆在硅包裹石墨烯材料表面，得到碳包裹颗粒；
步骤6，将碳包裹颗粒加入至反应釜中非氧碳化反应2-5h，冷却后得到石墨烯增强碳硅复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中鳞片石墨在水中的浓度为30-60g/L，所述聚丙烯酸钠水溶液的浓度为10-40g/L，所述超声反应的频率为20-40kHz，温度为40-60℃。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的造粒的粒径为1-5mm，温度为100-120℃。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的纳米硅材料在无水乙醇中的浓度为30-60g/L，所述硅烷偶联剂的加入量是纳米硅材料质量的5-10％。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的硅分散液的喷涂量是0.1-0.4g/cm2，所述烘干的温度为80-90℃。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4中的还原反应采用氢气反应，温度为300-400℃。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5中的羟乙基纤维素在蒸馏水中的浓度为0.3-0.8mg/mL，所述粘稠液的涂覆量2-5mL/cm2。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强碳硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤6中的非氧碳化反应在氮气氛围下反应，反应温度为800-900℃。
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