CN110021749A - 硅碳负极材料及其制备方法、电池 - Google Patents

硅碳负极材料及其制备方法、电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了硅碳负极材料及其制备方法、电池。具体地，本发明提出了一种制备硅碳负极材料的方法，包括：将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；对所述第一混合液进行喷雾干燥处理，以便形成所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的硅材料；对所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的所述硅材料进行烧结处理，以便形成石墨烯‑有机碳‑硅复合材料，以便形成所述硅碳负极材料。由此，该方法操作简便，且利用该方法所制备的硅碳负极材料形成电池的负极后，负极的膨胀率较低，克容量较高，循环性能良好，提高了电池的使用性能。

Description

硅碳负极材料及其制备方法、电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体地，涉及硅碳负极材料及其制备方法、电池。
背景技术
目前，锂离子电池因其电压稳定、容量高、能量密度大、循环寿命长、环境友好等优势，被广泛应用于摄像机、移动电话、笔记本电脑、电动交通工具等设备上。锂离子电池的负极材料是决定其性能的关键因素，其中，石墨因价格较为低廉，在电池负极材料领域占有重大份额，但是，目前常用的石墨类负极材料的可逆比容量即将接近理论比容量372mA·h/g的极限，继续提升的空间有限，已经较难满足高能量密度电池需求。近年来，硅碳材料因其极高的理论比容量(4200mAh/g)，被公认为是下一代负极材料，受到了广泛的关注与研究。
然而，目前的硅碳负极材料及其制备方法、电池仍有待改进。
发明内容
本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
虽然硅材料具有极高的理论比容量，但是，硅材料形成的负极在充放电脱/嵌锂的过程中，伴随着很大的体积膨胀(约280％)，给硅材料的进一步应用造成阻碍，例如，硅体积膨胀会造成颗粒粉化，电池的循环性能差，并且会使活性物质与导电粘结剂接触差等。目前，通常通过硅纳米化、将硅与活性或非活性物质复合处理、发展针对硅碳负极的电解液、改进粘结剂和改进电极结构等方法来提高硅负极材料的循环和倍率等性能。但是，上述方法制备的硅碳负极的倍率性能和循环性能仍然不能满足需求。因此，如果能提出一种新的制备硅碳负极材料的方法，该方法制备的硅碳负极材料的膨胀率较低，倍率性能和循环性能较高，将能在很大程度上解决上述问题。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备硅碳负极材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；对所述第一混合液进行喷雾干燥处理，以便形成所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的硅材料；对所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的所述硅材料进行烧结处理，以便形成石墨烯-有机碳-硅复合材料，以便形成所述硅碳负极材料。由此，该方法操作简便，且利用该方法所制备的硅碳负极材料形成电池的负极后，负极的膨胀率较低，克容量较高，循环性能良好，提高了电池的使用性能。
根据本发明的实施例，所述纳米硅颗粒和所述有机分散剂的重量比为1：(1-5)。由此，纳米硅颗粒和有机分散剂的比例在上述范围时，有机分散剂可以使纳米硅颗粒较为均匀地分散在第一溶剂中，便于后续该有机分散剂以及氧化石墨烯包覆纳米硅颗粒；并且，后续经过烧结处理后，有机分散剂可以在纳米硅颗粒表面形成有机碳包覆层，进一步减小了硅碳负极材料的体积膨胀率，提高了利用该材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。
根据本发明的实施例，所述纳米硅颗粒和所述氧化石墨烯的重量比为1：(0.2-1.5)。由此，纳米硅颗粒和氧化石墨烯的重量比在上述范围时，氧化石墨烯可以较好地包覆纳米硅颗粒，可以降低纳米硅颗粒的体积膨胀以及颗粒粉化等，提高利用该材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。
根据本发明的实施例，所述形成第一混合液进一步包括：将所述纳米硅颗粒和所述有机分散剂加入去离子水中并进行搅拌，以便形成第二混合液；将所述氧化石墨烯加入去离子水中并进行搅拌，以便形成第三混合液；将所述第二混合液和所述第三混合液混合，并进行超声分散，以便形成所述第一混合液。由此，该方法可以使纳米硅颗粒颗粒以及氧化石墨烯充分地分散和混合均匀，以便形成较好的有机分散剂和氧化石墨烯包覆的所述硅材料。
根据本发明的实施例，所述有机分散剂包括非碳元素掺杂的高分子化合物。由此，该有机分散剂可以促进纳米硅颗粒在水中分散均匀，无需添加额外的分散剂；后续经过烧结处理后，该有机分散剂可以在纳米硅颗粒表面形成有机碳包覆层，降低纳米硅颗粒的体积膨胀等，并且，该有机分散剂中掺杂的非碳元素可以对石墨烯进行掺杂，提高了石墨烯的导电性，进一步提高了利用该硅碳负极材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。
根据本发明的实施例，所述非碳元素包括氮、氧、硼、磷以及硅的至少之一。由此，上述元素在烧结处理后，可以较好地对石墨烯层进行掺杂，提高石墨烯的导电性，进一步提高利用该硅碳负极材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。
根据本发明的实施例，所述有机分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、聚酰胺、聚酯以及硅油的至少之一。由此，上述有机分散剂较为廉价和易得，且使用性能良好，便于进行大规模生产。
根据本发明的实施例，所述纳米硅颗粒的粒径为20-100nm。由此，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。
根据本发明的实施例，所述氧化石墨烯的层数为1-10层，片径为0.5-6μm。由此，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。
根据本发明的实施例，所述喷雾干燥处理的进风口温度为150-240℃，泵速为0.5-2L/h，风速为0.3-0.5m3/min，高压气体流量为5-30L/min。由此，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。
根据本发明的实施例，所述烧结处理在惰性气体和氢气的混合气体氛围中进行，所述烧结处理的升温速率为3-15℃/min，温度升至650-900℃，保温0.5-4h。由此，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种硅碳负极材料。根据本发明的实施例，所述硅碳负极材料是由前面所述的方法制备的。由此，该硅碳负极材料具有前面任一项所述的方法所制备的硅碳负极材料所具有的全部特征以及优势，在此不再赘述。总的来说，该硅碳负极材料的体积膨胀率较低，利用该材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能良好。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种电池。根据本发明的实施例，该电池包括：正极；负极，所述负极包括前面所述的硅碳负极材料；隔膜，所述隔膜设置在所述正极与所述负极之间；以及电解液，所述正极的至少一部分、所述负极的至少一部分以及所述隔膜的至少一部分浸没在所述电解液中。由此，该电池具有前面所述的硅碳负极材料所具有的全部特征以及优势，在此不再赘述。总的来说，该电池倍率性能以及循环性能较好，使用性能良好。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的制备硅碳负极材料的方法流程图；
图2显示了根据本发明另一个实施例的制备硅碳负极材料的方法流程图；
图3显示了根据本发明一个实施例的电池的循环性能图；以及
图4显示了根据本发明另一个实施例的电池的循环性能图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备硅碳负极材料的方法。该方法直接利用纳米硅颗粒作为原料，并且加入了有机分散剂促进纳米硅颗粒的分散，加入了氧化石墨烯包覆纳米硅颗粒；后续经过喷雾干燥处理以及烧结处理之后，纳米硅颗粒的表面依次包覆有有机碳以及石墨烯，可以较好地降低纳米硅颗粒的体积膨胀率，提高利用该材料作为负极的电池的倍率性能和循环性能等；并且有机分散剂中掺杂的杂原子可以对石墨烯进行掺杂，提高了石墨烯的导电率，进一步提高利用该材料作为负极的电池的倍率性能和循环性能等。
根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：
S100：将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，形成第一混合液
在该步骤中，将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液。
根据本发明的实施例，参考图2，该方法可以进一步包括：
S110：将纳米硅颗粒和有机分散剂加入去离子水中，形成第二混合液
在该步骤中，将纳米硅颗粒和有机分散剂加入去离子水中，并进行搅拌，以便形成第二混合液。根据本发明的实施例，将纳米硅颗粒和有机分散剂一同加入去离子水中，有机分散剂可以使纳米硅颗粒在去离子水中分散均匀，无需再加入其它的分散剂，并且，纳米硅颗粒可以直接使用，无需进行前处理等过程，从而简化了制备过程，便于大规模生产。根据本发明的具体实施例，将纳米硅颗粒和有机分散剂加入去离子水中后，可以采用机械搅拌器进行搅拌，搅拌速度可以为200-500r/min，搅拌时间可以为0.5-2h，以便形成第二混合液。
根据本发明的实施例，纳米硅颗粒的粒径可以为20-100nm，例如可以为30nm，可以为50nm，可以为70nm，可以为80nm等。由此，纳米硅颗粒的粒径在上述范围时，纳米硅颗粒的空隙容积较大，能够容纳较大的体积膨胀，从而可以减轻硅材料体积膨胀引起的颗粒粉化等，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。
根据本发明的实施例，有机分散剂可以包括非碳元素掺杂的高分子化合物。由此，该有机分散剂不仅可以促进纳米硅颗粒在水中分散均匀，无需添加额外的分散剂；而且，后续经过烧结处理后，该有机分散剂可以在纳米硅颗粒表面形成有机碳包覆层，降低纳米硅颗粒的体积膨胀等，并且，该有机分散剂中掺杂的非碳元素可以对烧结后的石墨烯进行掺杂，提高了石墨烯的导电性，进一步提高了利用该硅碳负极材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。
根据本发明的实施例，非碳元素的具体种类不受特别限制，例如可以包括氮、氧、硫、磷以及硅的至少之一。由此，上述元素在烧结处理后，可以较好地对石墨烯层进行掺杂，提高石墨烯的导电性，进一步提高利用该硅碳负极材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。根据本发明的具体实施例，有机分散剂可以包括聚乙烯吡咯烷酮、聚酰胺、聚酯以及硅油的至少之一。由此，上述有机分散剂较为廉价和易得，且使用性能良好，便于进行大规模生产。具体地，聚乙烯吡咯烷酮分散剂的分子量可以为20000-45000g/mol。
根据本发明的实施例，纳米硅颗粒和有机分散剂的重量比为可以1：(1-5)，例如可以为1：(2-4)，可以为1:1.5，可以为1:2，可以为1:2.5，可以为1:3，可以为1：3.5，可以为1:4，可以为1:4.5等。由此，纳米硅颗粒和有机分散剂的比例在上述范围时，有机分散剂可以使纳米硅颗粒较为均匀地分散在第一溶剂(例如去离子水)中，便于后续该有机分散剂以及氧化石墨烯包覆纳米硅颗粒；并且，后续经过烧结处理后，有机分散剂可以在纳米硅颗粒表面形成有机碳包覆层，进一步减小了硅碳负极材料的体积膨胀率，提高了利用该材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。当纳米硅颗粒和和有机分散剂的重量比过小，例如小于1:4时，最终形成的硅碳负极材料的克容量较小，交流阻抗较大，影响电池的使用性能；当纳米硅颗粒有机分散剂的重量比过大，例如大于1:2时，硅纳米颗粒的体积膨胀率较大，电池的倍率性能下降，并且导电性较差，同样会影响电池的使用性能。
S120：将氧化石墨烯加入去离子水中，形成第三混合液
在该步骤中，将氧化石墨烯加入去离子水中，并进行搅拌，以便形成第三混合液。根据本发明的实施例，将氧化石墨烯加入去离子水中后，可以采用机械搅拌器进行搅拌，搅拌速度可以为200-600r/min，搅拌时间可以为0.5-3h，以便形成第二混合液。
根据本发明的实施例，氧化石墨烯的层数可以为1-10层，具体地，可以为3-5层，片径可以为0.5-6μm，例如可以为2μm，可以为3μm，可以为4μm等。由此，该氧化石墨烯可以较好地包覆纳米硅颗粒，降低纳米硅颗粒的体积膨胀率，降低硅材料的粉化等，提高硅材料的导电性，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。
根据本发明的实施例，纳米硅颗粒和氧化石墨烯的重量比可以为1：(0.2-1.5)，例如可以为1:(0.3-0.6)，可以为1:0.25，可以为1:0.3，可以为1:0.4，可以为1：0.5，可以为1:0.6，可以为1:0.8，可以为1:0.9，可以为1:1，可以为1：1.2，可以为1:1.4等。由此，纳米硅颗粒和氧化石墨烯的重量比在上述范围时，氧化石墨烯可以较好地包覆纳米硅颗粒，可以降低纳米硅颗粒的体积膨胀以及颗粒粉化等，提高利用该材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。当纳米硅颗粒和和氧化石墨烯的重量比过小，例如小于1:1.5时，得到的硅石墨烯复合硅碳材料振实密度较小，辊压后压实密度较小，形成的电池的能量密度较小，使用性能不佳；当纳米硅颗粒和氧化石墨烯的重量比过大，例如大于1:0.2时，二氧化硅纳米颗粒的体积膨胀率较大，所制备的硅碳负极材料的倍率性能等较差，使用性能不佳。
根据本发明的实施例，第三混合液中的氧化石墨烯的浓度可以为0.5-5mg/mL，例如可以为1mg/mL，可以为2mg/mL，可以为3mg/mL，可以为4mg/mL等。由此，氧化石墨烯的浓度在上述范围时，氧化石墨烯在去离子水中的分散较为均匀，且有利于后续氧化石墨烯对纳米硅颗粒进行包覆。
S130：将第二混合液和第三混合液混合，并超声分散，形成第一混合液
在该步骤中，将前面步骤中制得的第一混合液和第二混合液混合，并进行超声分散，以便形成第三混合液。根据本发明的实施例，可以采用超声仪进行超声分散，超声时间可以为30-90min，可以进行多次超声，处理0.5-4h后将第三混合液静置，以保证第一混合液和第二混合液充分混合均匀。
S200：进行喷雾干燥处理，形成有机分散剂和氧化石墨烯包覆的硅材料
在该步骤中，对前面步骤中形成的第一混合液进行喷雾干燥处理，以便形成有机分散剂和氧化石墨烯包覆的硅材料。根据本发明的实施例，喷雾干燥处理的进风口温度可以为150-240℃，可以为180℃，可以为200℃，可以为220℃等，泵速可以为5-80％，风速可以为60-99％，高压气体流量可以为5-30L/min。由此，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能，并且该喷雾干燥处理的操作较为简单，有利于大规模生产。根据本发明的实施例，经过喷雾干燥处理后，有机分散剂和氧化石墨烯可以较为均匀地包覆在硅纳米颗粒的表面，形成有机分散剂和氧化石墨烯包覆的硅材料。
S300：进行烧结处理，形成硅碳负极材料
在该步骤中，对前面步骤中形成的有机分散剂和氧化石墨烯包覆的硅材料进行烧结处理，以便形成石墨烯-有机碳-硅复合材料，以便形成硅碳负极材料。根据本发明的实施例，烧结处理可以在惰性气体和氢气的混合气体氛围中进行，烧结处理的升温速率可以为3-15℃/min，例如可以为5℃/min，温度可以升至650-900℃，例如升至750℃，例如保温0.5-4h，然后进行冷却至室温。根据本发明的实施例，经过烧结处理后，氧化石墨烯可以被还原为石墨烯，并包覆纳米硅颗粒，有机分散剂可以在纳米硅颗粒表面形成有机碳包覆层，降低了硅材料的体积膨胀率以及粉化等，并且有机分散剂中的杂原子可以对石墨烯进行掺杂，提高石墨烯的导电性，由此，形成的石墨烯-有机碳-硅复合材料应用在电池的负极中时，电池的倍率性能和循环性能较好。
根据本发明的实施例，形成的石墨烯-有机碳-硅复合材料，即硅碳负极材料中，硅含量为30％-85％，利用该材料形成的电池负极的极片膨胀率小于50％，甚至小于30％，并且克容量(即放电比容量)以及循环性能较佳，例如首次克容量可达2100mAh/g以上，例如可达2900mAh/g，且循环40圈之后的克容量仍然可以保持60％以上，甚至保持80％以上。
综上可知，该方法操作简便，便于进行大规模生产，且利用该方法所制备的硅碳负极材料形成电池的负极后，负极的膨胀率较低，克容量较高，循环性能良好，提高了电池的使用性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种硅碳负极材料。根据本发明的实施例，该硅碳负极材料是由前面所述的方法制备的。由此，该硅碳负极材料具有前面任一项所述的方法所制备的硅碳负极材料所具有的全部特征以及优势，在此不再赘述。总的来说，该硅碳负极材料的体积膨胀率较低，利用该材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能良好。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种电池。根据本发明的实施例，该电池包括：正极、负极、隔膜以及电解液，负极包括前面所述的硅碳负极材料，隔膜设置在正极与负极之间，正极的至少一部分、负极的至少一部分以及隔膜的至少一部分浸没在电解液中。由此，该电池具有前面所述的硅碳负极材料所具有的全部特征以及优势，在此不再赘述。总的来说，该电池倍率性能以及循环性能较好，使用性能良好。
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市面购买获得的常规产品。
实施例1、制备石墨烯-有机碳-硅复合材料A
(1)将1g纳米硅颗粒和3.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)有机分散剂加入500mL去离子水中，采用机械搅拌器，以300r/min的速度搅拌2h，形成第二混合液，其中，纳米硅颗粒的直径为30nm，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为Mw＝45000g/mol；
(2)取37g质量分数为1.3％的氧化石墨烯分散液，在500rpm的转速下搅拌的1h，稀释成浓度为1mg/mL的500mL均匀分散液，即第三混合液；
(3)将上述的第二混合液和第三混合液再次均匀混合，采用800W的超声仪超声60min，处理2h后静置，形成第一混合液；
(4)将混合静置后的第一混合液进行喷雾干燥处理，喷雾干燥器的进风口温度为200℃，泵速为30％(最高泵速为2L/h)，风速为80％(最大为0.5m3/min)，高压气体流量为10L/min(最大为50L/min)，得到有机分散剂以及氧化石墨烯包覆的硅材料；
(5)将氧化石墨烯硅材料研磨后，放入坩埚，通入Ar/H2进行气体置换，在700℃高温下进行高温煅烧，升温速率为5℃/min，在700℃保温2h，然后进行冷却至室温，形成石墨烯-有机碳-硅复合材料A，即硅碳负极材料A。
实施例2、制备石墨烯-有机碳-硅复合材料B
其他操作方式同实施例1，所不同的是，步骤(1)中加入的纳米硅颗粒为1g，聚乙烯吡咯烷酮为1.5g；步骤(2)中加入的质量分数为1.3％的氧化石墨烯的质量为20g。最终制得石墨烯-有机碳-硅复合材料B，即硅碳负极材料B。
对比例1、制备石墨烯-硅复合材料
其他操作方式同实施例1，所不同的是，步骤(1)中仅加入1g直径为30nm的纳米硅颗粒，而不添加聚乙烯吡咯烷酮有机分散剂，最终制得石墨烯-硅复合材料A。
电池性能测试
将实施例1、实施例2以及对比例1中制得的负极材料分别和CNT以及PAA粘结剂，按照质量比8:1:1进行混合匀浆2h。然后将得到的浆料进行涂布、烘干、裁片，并组装成扣式电池进行硅含量、膨胀性能、倍率性能以及循环性能测试。测试数据见下表1-3以及附图3-4。
表1：实施例1、实施例2以及对比例1中的负极材料制作的电池的首次放电性能以及膨胀性能数据表
需要说明的是，表1中的“物理膨胀率”是将制作好的极片常温静置72h后的极片厚度减去制作好并烘干的极片厚度标准值，再除以极片厚度标准值得到的；“浸润膨胀率”是将制作好的极片浸泡在电解液中24h后的极片厚度减去极片厚度标准值，再除以极片厚度标准值得到的；“满电膨胀率”是指纽扣电池制作完成后，在常温以及0.05C条件下，一次充放电后的极片厚度减去极片厚度标准值，再除以极片厚度标准值得到的；“热膨胀率”是指烘干的极片继续在110℃烘箱中恒温放置12h的厚度减去极片厚度标准值，再除以极片厚度标准值得到的。
由表1可知，通过实验测得，实施例1中的石墨烯-有机碳-硅复合材料A的硅含量为47％，实施例2中的石墨烯-有机碳-硅复合材料B的硅含量为77％，对比例1中的石墨烯-硅复合材料的硅含量为81％。复合材料中硅含量越高，首次放电容量越大。但是，通过表1中的膨胀性能数据可以明显地看出，对比例1中未加有机分散剂的方法制备的石墨烯-硅负极材料，其膨胀率明显高于实施例1以及实施例2中添加了有机分散剂的方法制备的石墨烯-有机碳-硅复合材料A以及石墨烯-有机碳-硅复合材料B。因此，可以证明，根据本发明实施例的方法中，通过在硅纳米颗粒的分散液中加入有机分散剂，后续通过烧结处理后，有机分散剂可以在纳米硅颗粒的表面形成有机碳包覆层，进而可以减小硅材料的膨胀率。并且，从表1中的数据可以预期，对比例1中的材料制备的电池，其膨胀率较高，因此，其粉化现象严重，循环性能较差，电池使用性能不佳。
表2：实施例1以及实施例2中的负极材料形成的电池的循环性能数据表
由图3、图4以及表2中的数据可知，实施例1中的石墨烯-有机碳-硅复合材料A作为负极的电池，其循环40圈后的放电比容量保持率仍可保持在80％以上，其循环性能较好。实施例2中的石墨烯-有机碳-硅复合材料B作为负极的电池，其循环40圈后的放电比容量保持率为60％，保持率相对较高，但是比实施例1中的石墨烯-有机碳-硅复合材料A作为负极的电池的保持率低。由此，可以说明，在制备根据本发明实施例的石墨烯-有机碳-硅复合材料的方法中，纳米硅材料、有机分散剂以及氧化石墨烯的比例在一定范围时，最终形成的复合材料制作的电池的循环性能更好。例如，纳米硅颗粒和有机分散剂的重量比为1:(2-4)时，例如1:3.5，纳米硅颗粒和氧化石墨烯的比例为1：(0.3-0.6)时，例如1:0.5，在该比例以及比例范围中，所制备的石墨烯-有机碳-硅复合材料的循环性能更好。
表3：实施例1以及实施例2中的复合材料制作的电池的倍率性能(不同倍率下的放比容量(mAh/g))数据表
名称 0.1C 0.2C 0.5C 1C 2C 3C
实施例1 1610 1552 1513 1480 1441 1389
实施例2 1818 1561 1411 1274 696
由表2中的数据可知，在0.1C-1C时，实施例1中的石墨烯-有机碳-硅复合材料A作为负极的电池，其放电比容量保持率为1480/1610＝92％，实施例2中的石墨烯-有机碳-硅复合材料B作为负极的电池，其放电比容量保持率为77％。在0.1C-2C时，实施例1中的石墨烯-有机碳-硅复合材料A作为负极的电池，其放电比容量保持率为89.5％，实施例2中的石墨烯-有机碳-硅复合材料B作为负极的电池，其放电比容量保持率为38.3％。由此，可以得出，实施例1中的石墨烯-有机碳-硅复合材料A，其倍率性能更佳，其从0.1C-3C时，放电比容量保持率仍然在86％以上。而实施例2中的石墨烯-有机碳-硅复合材料B，其在不同倍率下的放电比容量保持率相比于实施例1中的石墨烯-有机碳-硅复合材料A较差。因此，可以证明，在制备根据本发明实施例的石墨烯-有机碳-硅复合材料的方法中，纳米硅材料、有机分散剂以及氧化石墨烯的比例在一定范围时，最终形成的复合材料制作的电池的倍率性能更好。例如，纳米硅颗粒和有机分散剂的重量比为1:(2-4)时，例如1:3.5，纳米硅颗粒和氧化石墨烯的比例为1：(0.3-0.6)时，例如1:0.5，在该比例以及比例范围中，所制备的石墨烯-有机碳-硅复合材料的倍率性能更好。
综上可知，根据本发明实施例的方法所制备的石墨烯-有机碳-硅复合材料，即硅碳负极材料，将其用于电池负极材料时，膨胀率较低，电池的倍率性能和循环性能较好。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.一种制备硅碳负极材料的方法，其特征在于，包括：
将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；
对所述第一混合液进行喷雾干燥处理，以便形成所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的硅材料；
对所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的所述硅材料进行烧结处理，以便形成石墨烯-有机碳-硅复合材料，以便形成所述硅碳负极材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米硅颗粒和所述有机分散剂的重量比为1：(1-5)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米硅颗粒和所述氧化石墨烯的重量比为1：(0.2-1.5)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成第一混合液进一步包括：
将所述纳米硅颗粒和所述有机分散剂加入去离子水中并进行搅拌，以便形成第二混合液；
将所述氧化石墨烯加入去离子水中并进行搅拌，以便形成第三混合液；
将所述第二混合液和所述第三混合液混合，并进行超声分散，以便形成所述第一混合液。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机分散剂包括非碳元素掺杂的高分子化合物；
任选地，所述非碳元素包括氮、氧、硼、磷以及硅的至少之一。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述有机分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、聚酰胺、聚酯以及硅油的至少之一。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米硅颗粒的粒径为20-100nm；
任选地，所述氧化石墨烯的层数为1-10层，片径为0.5-6μm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷雾干燥处理的进风口温度为150-240℃，泵速为0.5-2L/h，风速为0.3-0.5m3/min，高压气体流量为5-30L/min；
任选地，所述烧结处理在惰性气体和氢气的混合气体氛围中进行，所述烧结处理的升温速率为3-15℃/min，温度升至650-900℃，保温0.5-4h。
9.一种硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料是由权利要求1-8任一项所述的方法制备的。
10.一种电池，其特征在于，包括：
正极；
负极，所述负极包括权利要求9所述的硅碳负极材料；
隔膜，所述隔膜设置在所述正极与所述负极之间；以及
电解液，所述正极的至少一部分、所述负极的至少一部分以及所述隔膜的至少一部分浸没在所述电解液中。
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