CN110911651A - 一种锂离子电池用硅/石墨烯复合负极材料、自支撑负极片及其制备方法和锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用硅/石墨烯复合负极材料、自支撑负极片及其制备方法和锂离子电池，涉及锂电池技术领域。所述硅/石墨烯复合负极材料由多层三明治型石墨烯@硅@石墨烯@…@硅@石墨烯结构组成。本发明先使用抽滤的方法制备出石墨烯膜；然后硅粉按照同样的方法抽滤，负载在石墨烯膜上，最后再抽滤一层石墨烯用于保护和包覆硅表面，以此类推。将抽滤得到硅/石墨烯复合负极材料烘干后用轧辊滚压，即得到自支撑负极片。石墨烯膜可以提供导电网络和自支撑骨架，弥补硅电导率低的缺点，硅为活性物质。该自支撑负极可免去加入粘合剂和导电碳材料，同时抽滤出的膜具有多孔洞结构，可以给活性物质充放电过程中提供丰富的体积膨胀空间，显著提高锂离子电池电化学性能。

Description

一种锂离子电池用硅/石墨烯复合负极材料、自支撑负极片及 其制备方法和锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池用硅/石墨烯复合负极材料、自支撑负极片及其制备方法和锂离子电池。
背景技术
近年来，对于具有更高能量密度和更长循环寿命的锂离子电池负极材料的追求已经成为了锂离子电池发展的主要诉求之一。而传统的商业化石墨负极已经做到了接近于石墨的理论容量372mAh/g的比容量，提升空间非常有限。与此相反，具有超高的体积和质量比容量的硅基材料已经成为了最具希望的石墨负极替代品和最具应用前景的锂离子电池负极材料。然而，在充放电循环过程中，硅基材料不可避免地会因严重的体积膨胀问题而导致电极材料发生粉化，进而导致剧烈的容量衰减。所以，目前的硅基材料的研究重点集中于如何解决硅的体积膨胀问题。
碳材料来源和种类都很丰富，而且具有优良的导电性和相对较低的成本，被认为是与硅材料复合的优良选项。人们尝试了诸多方法，如热解、机械混合/高能球磨等方法来制备硅碳复合材料，所述复合物通常由在致密碳基体中镶嵌硅颗粒构成。然而，此类方法制备的硅碳复合物，在充放电期间，锂离子的嵌入和脱出不仅导致了硅颗粒的粉化，其所带来的体积膨胀也会导致碳骨架的结构破裂，因此电池的循环能力非常差。因此，寻找爱一些韧性和柔性更好的复合物也是科研界和产业界努力的方向。
近年来，硅与石墨烯的复合也得到了科研和业界的重视，然而，常见报道的硅/石墨烯复合方式往往涉及到比较复杂以及高成本的合成步骤，遇到了商业化大规模应用的瓶颈。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂电池硅/石墨烯复合负极材料，既能复合较多重量的硅，又能很好地抑制硅的体积膨胀和粉化。
本发明提供的锂离子电池负极材料，由石墨烯薄膜和硅薄膜复合而成。
进一步的，所述石墨烯薄膜由石墨烯浆料抽滤而成；所述硅薄膜为直径20-150nm的硅粉分散在与石墨烯浆料同样的溶剂中抽滤而成。
进一步的，分散石墨烯和硅粉的溶剂为N-甲基吡咯烷酮、去离子水的至少一种。
进一步的，所述硅粉分散液浓度<5wt%，石墨烯与硅的质量比为1:1-1:9。
进一步的，依次将石墨烯浆料和硅粉分散液逐层抽滤，制备石墨烯@硅@石墨烯@…@硅@石墨烯膜，通过烘干或冷冻干燥的方式去除溶剂。
本发明的目的之二在于提供一种自支撑负极片，不需要使用导电碳和粘结剂，同时具有较高的能量密度和良好的循环稳定性。
本发明提供的一种自支撑负极片制备方法，包括如下步骤：将抽滤得到的滤饼连同滤膜一起置入真空烘箱中80℃烘干10h；将滤饼取出，轻轻撕去滤膜，用轧辊滚压，即得到自支撑电极片。
本发明的目的之三在于提供一种锂电池，包括本发明提供的负极材料或本发明提供的负极片。将自支撑负极片与对电极锂片、泡沫镍、隔膜组装，注入电解液得到待测锂电池。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明将硅复合在层状石墨烯结构中作为锂离子电池的负极材料，通过抽滤将两层石墨烯紧紧地结合在一起包覆住硅，这样既能复合较多重量的硅，又能很好地容纳硅的体积膨胀，改善导电性，同时，这样的结构可以扩展到多层，具备大规模生产的理论基础；
2、本发明提供一种负极片，无需使用导电碳和粘结剂的自支撑电极片。石墨烯膜可以提供导电网络和自支撑骨架，弥补硅电导率低的缺点，硅为活性物质。该自支撑负极可免去加入粘合剂和导电碳材料，同时抽滤出的膜具有多孔洞结构，可以给活性物质充放电过程中提供丰富的体积膨胀空间，显著提高其电化学性能；
3、与现有技术相比，本发明锂离子电池采用的负极材料既能负载较多重量的硅，又能很好地容纳硅的体积膨胀，改善导电性，从而使得锂离子电池在具有较高能量密度的同时，也具有更加优异的循环稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例3所得前三圈充放电曲线。
图2为本发明实施例3所得充放电循环曲线。
图3为本发明实施例3所得SEM图像。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步详细说明，此处所描述的的具体实施例仅仅用以解释本发明，本发明的保护范围并不以实施方式为限。
实施例1
步骤1，将石墨烯浆料稀释至3%；同时将30nm粒径的纳米硅以3wt%分散于水中，并滴入几滴无水乙醇，超声30min；
步骤2，先向布氏漏斗中加入5ml稀释过的石墨烯浆料，而后缓缓加入20ml去离子水以平整石墨烯面，加入5ml稀释过的纳米硅分散液，同样缓缓加入20ml去离子水平整滤面，再次抽滤同样体积的石墨烯浆料，而后抽滤纳米硅分散液，按如此次序抽滤10层，即石墨烯5层、纳米硅5层，最后在最上层再次抽滤相同体积的石墨烯浆料；
步骤3，将抽滤得到的滤饼连同滤膜一起置入真空烘箱中80℃烘干10h；
步骤4，将滤饼取出，轻轻撕去滤膜，用轧辊滚压，即得到所需自支撑负极片。
实施例2
步骤1，将石墨烯浆料稀释至3%；同时将30nm粒径的纳米硅以3wt%分散于水中，并滴入几滴无水乙醇，超声30min；
步骤2，先向布氏漏斗中加入5ml稀释过的石墨烯浆料，而后缓缓加入20ml去离子水以平整石墨烯面，加入15ml稀释过的纳米硅分散液，同样缓缓加入20ml去离子水平整滤面，再次抽滤同样体积的石墨烯浆料，而后抽滤纳米硅分散液，按如此次序抽滤10层，即石墨烯5层、纳米硅5层，最后在最上层再次抽滤相同体积的石墨烯浆料；
步骤3，将抽滤得到的滤饼连同滤膜一起置入真空烘箱中80℃烘干10h；
步骤4，将滤饼取出，轻轻撕去滤膜，用轧辊滚压，即得到所需自支撑负极片。
实施例3
步骤1，将石墨烯浆料稀释至3%；同时将30nm粒径的纳米硅以3wt%分散于水中，并滴入几滴无水乙醇，超声30min；
步骤2，先向布氏漏斗中加入5ml稀释过的石墨烯浆料，而后缓缓加入20ml去离子水以平整石墨烯面，加入5ml稀释过的纳米硅分散液，同样缓缓加入20ml去离子水平整滤面，再次抽滤同样体积的石墨烯浆料，而后抽滤纳米硅分散液，按如此次序抽滤20层，即石墨烯10层、纳米硅10层，最后在最上层再次抽滤相同体积的石墨烯浆料；
步骤3，将抽滤得到的滤饼连同滤膜一起置入真空烘箱中80℃烘干10h；
步骤4，将滤饼取出，轻轻撕去滤膜，用轧辊滚压，即得到所需自支撑负极片。
电池组装：将实施例1-3中的自支撑负极片与对电极锂片、泡沫镍、隔膜组装，注入电解液得到待测锂电池。
材料电性能测试：在25℃环境中进行充放电循环测试，充电截至电压为3V，放电截至电压为0.006V，先以5mA/g的电流充放电3个循环，再以200mA/g进行循环测试，测试结果如表1所示。
表1锂离子电池性能数据测试表。
Figure 603447DEST_PATH_IMAGE001
以上所述仅为本发明的几种可行具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，由本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锂离子电池用硅/石墨烯复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按比例将石墨烯浆料和硅粉分散液稀释到一定浓度；
采用抽滤的方法逐层制备石墨烯@硅@石墨烯@…@硅@石墨烯膜；
将抽滤而得的石墨烯@硅@石墨烯@…@硅@石墨烯膜通过烘干或冷冻干燥的方式去除溶剂。
2.根据权利要求1所述的硅/石墨烯复合负极材料的制备方法，其特征在于，硅/石墨烯复合负极材料由石墨烯薄膜和硅薄膜复合而成；所述石墨烯薄膜由石墨烯浆料抽滤而成；所述硅薄膜为直径20-150nm的硅粉分散在与石墨烯浆料同样的溶剂中抽滤而成。
3.根据权利要求1所述的硅/石墨烯复合负极材料的制备方法，其特征在于，分散石墨烯和硅粉的溶剂为N-甲基吡咯烷酮、去离子水的至少一种。
4.根据权利要求1所述的硅/石墨烯复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅粉分散液浓度<5wt%，石墨烯与硅的质量比为1:1-1:9；依次将石墨烯浆料和硅粉分散液逐层抽滤，制备石墨烯@硅@石墨烯@…@硅@石墨烯膜，通过烘干或冷冻干燥的方式去除溶剂。
5.根据权利要求1所述的硅/石墨烯复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述抽滤步骤中，一次倒入的液体量需大于5ml，保证液体在滤膜上分布均匀。
6.一种锂离子电池自支撑负极片，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的硅/石墨烯复合负极材料。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池自支撑负极片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将抽滤得到的滤饼连同滤膜一起置入真空烘箱中80℃烘干10h；将滤饼取出，轻轻撕去滤膜，用轧辊滚压，即制得锂离子电池自支撑电极片。
8.一种包括权利要求1-5任一项所述的硅/石墨烯复合负极材料或权利要求6或7所述的锂离子电池自支撑负极片的锂离子电池。
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