CN110931723A - 一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法 - Google Patents

一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机材料制备技术领域，尤其涉及一种0D / 2D纳米层状结构Si‑RGO复合材料的制备方法，通过混合、封端、制备SiNPs分散液、涂布、冲压、热处理等步骤制取得到纳米层状结构Si‑RGO复合材料，利用本方法制造出的Si‑RGO复合材料均匀，紧凑，机械强度高，能量密度高，同时该方法无粘结剂的加入，节约了成本。

Description

一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及电机材料制备技术领域，尤其涉及一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法。
背景技术
新能源汽车，二次能源发电厂等前沿应用中日益提高的储能元件标准，对具有高能量密度和高功率密度的新型锂离子电池（LIB）制备工艺有了更高的要求，作为最有前途的负极材料之一，硅的理论容量为3579mAh / g，约为商用石墨负极理论容量（372mAh / g）的10倍。然而，在传统的电极工艺中，直接使用硅，无论是微米尺度粉末还是纳米颗粒，都会导致产品性能不佳，主要是因为硅导电性差以及电化学循环过程中的大体积变化往往导致电极材料粉化破碎，因此，硅基负极的下一代制造工艺需要生成良好的导电基质和机械强度高的的电极结构，从而提高其循环寿命。
石墨烯是一种轻质的二维材料，具有高的电子传导率和机械强度，机械稳定且高导电性的石墨烯可用作基质以支持活性材料并进一步改善其电化学性能，石墨烯与硅纳米颗粒（SiNP）的组合将有效地解决硅基负极的弱点，并改善其电化学性能。
近年来，研究者已经开发了许多方法来生成用于LIB的硅/石墨烯复合负极，例如真空渗透，硅/石墨烯悬浮液的冷冻干燥，电喷雾，浸涂和各种模板化CVD方法，然而，通过现有方法制造硅/石墨烯复合电极仍然存在许多关键问题，首先，随机混合的石墨烯和SiNP不可避免地含有大量的SiNPs聚集体，这会破坏硅/石墨烯复合材料的均匀性并导致进一步的容量损失，其次，SiNP的高表面积需要高活性聚合物粘合剂（10~25％），这显着降低了质量效率并增加了硅/石墨烯复合电极的成本。没有聚合物粘合剂，难以确保相邻硅颗粒（Si-Si）之间以及硅和石墨烯（Si-G）之间的良好界面，这对于电极的导电性和机械强度都是至关重要的，最后，由于没有缺陷的石墨烯片不允许离子或电解质通过，因此通常需要额外的孔隙度以允许足够的电解质渗透到硅/石墨烯复合电极中，这降低了电池的体积容量。
为了解决这些挑战，必须在制造之前或制造期间加入额外的处理步骤。如，在真空渗透或冷冻干燥过程中，硅或石墨烯的表面通常在其液体分散体中被改性以诱导自组装并进一步改善电极的均匀性，气溶胶工艺已被用于封装SiNPs以增强硅 - 石墨烯接触，vander Waals界面或硅和石墨烯之间引入的共价键被证明可有效的提高负极材料的整体性能，在石墨烯片上引入面内空位可提高电极的倍率性能，因为为离子的快速传输提供了路径，设计石墨烯 - 硅气凝胶的内部孔有助于内部电解质渗透，从而改善电极性能。虽然这些处理步骤可以解决硅/石墨烯电极制造中的部分挑战，但还没有一种处理方法可以制造出均匀，紧凑，机械强度高，具有良好接触的Si-G和Si-Si界面的硅/石墨烯复合电极。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法，利用本方法制造出的Si-RGO复合材料均匀，紧凑，机械强度高，能量密度高，同时该方法无粘结剂的加入，节约了成本。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、混合，将粒径在80~100nm范围内的1份Si NPs和5份PVP加入乙醇中，接着进行磁力搅拌得到Si NPs混合液；
步骤二、封端，将Si NPs混合液在70℃下静置12小时；
步骤三、制备SiNPs分散液，将静置后的Si NPs混合液进行离心处理，得到封端后的SiNPs，并用乙醇冲洗Si NPs3次，每次冲洗后再进行离心处理，得到纯净的Si NPs，将纯净的Si NPs加入乙醇搅拌形成Si NPs分散液，稀释Si NPs分散液的浓度至0.8~20 mg / mL；
步骤四、涂布，使用Mirwec MiniLabo Deluxe R2R涂布机用于Si-RGO逐层涂布，每层涂覆约12μm的湿膜，轧制速度设定为1m/min，将稀释后的Si NPs分散液和RGO溶液交替涂覆到铜箔上以形成交替层状复合材料；
步骤五、冲压，将涂布好的交替层状复合材料冲压成直径为13mm的圆片，将圆片进行激光冲击表面强化处理；
步骤六、热处理，在氩气氛保护下，将圆片进行热处理得到纳米层状结构Si-RGO复合材料。
进一步的，稀释后的分散液中，Si NPs的浓度为4mg / mL。
进一步的，所述RGO溶液的浓度为0.3~8 mg / mL。
进一步的，所述交替层状复合材料的负载量为0.1~5 mg / cm2。
进一步的，所述交替层状复合材料进行激光冲击处理时，激光波长为200~5320nm，脉冲持续时间为1~40ns。
进一步的，热处理时，温度控制在400~900℃，热处理的时间为1~6h。
进一步的，离心处理时，转速控制在6000r/min，处理时间为3min。
本发明的有益效果在于：1，工艺简单，交替的SiNPs和RGO纳米层在激光冲击压缩后具有更加精细的界面以及紧密的包覆效应，在不添加任何粘合剂的情况下，使整个电极的机械强度显著提高，降低了成本，提高了电池的质量效率，所用仪器设备简单，成本低和能耗低等优点，易于实现产业化应用。
2、在激光冲击压缩和热处理后，在石墨烯片上形成高密度纳米级孔，有助于电解质的渗透，从而为Li+扩散提供快速通道。
3、本方法制备的Si-RGO复合材料具有良好界面和大量的缺陷，可广泛应用于电光学，分子传感和能量存储等领域。
附图说明
图1为本发明所制备的0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的在LS压缩之前和之后横截面SEM图；
图2本发明所制备的0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的在LS压缩之前和之后LS压缩之前和之后表面SEM图；
图3本发明所制备的0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的在LS压缩之后TEM图；
图4本发明所制备的0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的CV图；
图5本发明所制备的0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的在LS压缩之前（黑色）和之后（红色）分别作为电极材料进行电化学性能测试的循环性能图以及倍率性能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
步骤一、混合，将0.2g Si NPs（80-100nm）和1g PVP加入20ml乙醇中并进行磁力搅拌得到Si NPs混合液；
步骤二、封端，将Si NPs混合液在70℃下静置12小时用以对混合液中的Si NPs进行PVP封端；
步骤三、制备SiNPs分散液，将静置后的Si NPs混合液进行离心处理得到封端后的SiNPs，用乙醇冲洗3次封端后的Si NPs用以除去Si NPs表面过量溶解的PVP，每次冲洗过后均离心处理，最终得到纯净的Si NPs，将纯净的SiNPs分散在乙醇中形成10mg / mL的分散液，将分散液稀释至4mg / mL，每次离心处理时转速控制在6000r/min，处理时间为3min。
步骤四、涂布，使用Mirwec MiniLabo Deluxe R2R涂布机用于Si / RGO逐层涂布，每层涂覆约12μm的湿膜，轧制速度设定为1m/min，将稀释后的分散液和RGO溶液交替涂覆到铜箔上以形成交替层状复合材料，其中，RGO溶液的浓度为1.5mg / mL，交替层状复合材料负载为0.5mg / cm2需要涂覆80层SiNPs和81层RGO，交替层状复合材料负载为1.0mg / cm2需要涂覆160层SiNPs和161层RGO，由于采用乙醇作为溶剂，涂层的干燥仅需几秒钟。重复两种溶液的涂覆过程，直至达到理想的质量负荷；
步骤五、冲压，将涂布好的铜箔冲压成直径为13mm的圆片，将圆片进行激光冲击表面强化处理，当进行激光冲击表面强化处理工艺时，将电极盘放置在牺牲铜箔下面，用两个BK-7玻璃片夹住。将激光脉冲施加到牺牲层上，产生传播到电极上的冲击波，层状Si / RGO复合电极被激光冲击表面强化处理压缩。激光波长为1064nm，脉冲持续时间为7ns；
步骤六、将经过激光冲击表面强化处理过的原片放于管式炉中，氩气气氛下，600℃保温2h,自然冷却至室温，即得到0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料。
实施例2：
与实施例1不同的是，将步骤3中的分散液稀释至8mg / mL。
实施例3：
与实施例1不同的是，步骤1中的PVP的添加量为2g。
实施例4：
与实施例1不同的是，步骤四中RGO溶液的浓度为3mg / mL。
实施例5：
与实施例1不同的是，步骤六中氩气气氛下，500℃，保温4h。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、混合，将粒径在80~100nm范围内的1份Si NPs和5份PVP加入乙醇中，接着进行磁力搅拌得到Si NPs混合液；
步骤二、封端，将Si NPs混合液在70℃下静置12小时；
步骤三、制备SiNPs分散液，将静置后的Si NPs混合液进行离心处理，得到封端后的SiNPs，并用乙醇冲洗Si NPs3次，每次冲洗后再进行离心处理，得到纯净的Si NPs，将纯净的Si NPs加入乙醇搅拌形成Si NPs分散液，稀释Si NPs分散液的浓度至0.8~20 mg / mL；
步骤四、涂布，使用Mirwec MiniLabo Deluxe R2R涂布机用于Si-RGO逐层涂布，每层涂覆约12μm的湿膜，轧制速度设定为1m/min，将稀释后的Si NPs分散液和RGO溶液交替涂覆到铜箔上以形成交替层状复合材料；
步骤五、冲压，将涂布好的交替层状复合材料冲压成直径为13mm的圆片，将圆片进行激光冲击表面强化处理；
步骤六、热处理，在氩气氛保护下，将圆片进行热处理得到纳米层状结构Si-RGO复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法，其特征在于：稀释后的分散液中，Si NPs的浓度为4mg / mL。
3.根据权利要求1所述的一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法，其特征在于：所述RGO溶液的浓度为0.3~8 mg / mL。
4.根据权利要求1所述的一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法，其特征在于：所述交替层状复合材料的负载量为0.1~5 mg / cm2。
5.根据权利要求1所述的一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法，其特征在于：所述交替层状复合材料进行激光冲击处理时，激光波长为200~5320nm，脉冲持续时间为1~40ns。
6.根据权利要求1所述的一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法，其特征在于：热处理时，温度控制在400~900℃，热处理的时间为1~6h。
7.根据权利要求1所述的一种0D / 2D纳米层状结构Si-RGO复合材料的制备方法，其特征在于：离心处理时，转速控制在6000r/min，处理时间为3min。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111525086A (zh) * 2020-04-26 2020-08-11 东华大学 一种基于激光冲击技术的锂电池电极的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104425825A (zh) * 2013-09-06 2015-03-18 中国科学院金属研究所 一种锂离子电池电极结构及其制备方法
CN104617280A (zh) * 2015-01-28 2015-05-13 哈尔滨工业大学 一种锂离子电池用免粘结剂石墨烯/硅电极及其制备方法
CN106784700A (zh) * 2016-12-27 2017-05-31 电子科技大学 一种多层硅/石墨烯复合锂电池负极材料及其制备方法
CN107871850A (zh) * 2016-09-28 2018-04-03 华为技术有限公司 一种硅/石墨烯复合薄膜电极及其制备方法和锂离子电池
CN109616645A (zh) * 2018-12-07 2019-04-12 武汉工程大学 一种用于锂离子电池的柔性硅负极及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104425825A (zh) * 2013-09-06 2015-03-18 中国科学院金属研究所 一种锂离子电池电极结构及其制备方法
CN104617280A (zh) * 2015-01-28 2015-05-13 哈尔滨工业大学 一种锂离子电池用免粘结剂石墨烯/硅电极及其制备方法
CN107871850A (zh) * 2016-09-28 2018-04-03 华为技术有限公司 一种硅/石墨烯复合薄膜电极及其制备方法和锂离子电池
CN106784700A (zh) * 2016-12-27 2017-05-31 电子科技大学 一种多层硅/石墨烯复合锂电池负极材料及其制备方法
CN109616645A (zh) * 2018-12-07 2019-04-12 武汉工程大学 一种用于锂离子电池的柔性硅负极及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BIWEI DENG 等: ""Roll to roll manufacturing or fast charging, mechanically robust 0D/2D nanolayered Si-graphene anode with well-interfaced and defect engineered structures"", 《ENERGY STORAGE MATERIALS》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111525086A (zh) * 2020-04-26 2020-08-11 东华大学 一种基于激光冲击技术的锂电池电极的制备方法

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