CN103035890A - 硅与石墨烯复合电极材料及其制备方法 - Google Patents

硅与石墨烯复合电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅与石墨烯复合电极材料及其制备方法，该制备方法通过将氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液混合，然后水热法还原氧化石墨烯，纳米硅能够很好的分散在石墨烯的片层之间，防止石墨烯团聚，可以使复合电极材料达到较高的比表面积；同时，该制备工艺流程简单，反应时间短，从而反应过程中原料损失较少，产率相对较高。制得的硅与石墨烯复合电极材料中，由于石墨烯的高导电性能够很好的将电子传导到单质硅上，提高了导电性，能够充分发挥了硅的高容量特性，又可以提高其稳定性，适合作为锂离子电池的负极材料。

Description

硅与石墨烯复合电极材料及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及电池电极材料领域，尤其涉及一种硅与石墨烯复合电极材料及其制备方法。
【背景技术】
传统商品化的锂离子电池大多采用锂石墨体系，虽然这类体系的电化学性能优异，但由于其本身储锂能力较低，如石墨的理论储锂容量为372mAh/g，所以新型的过渡金属氧化物/石墨体系受到人们的广泛重视。
目前所知道的嵌锂材料中，纯硅因具有最高的理论储锂容量(4200mAh/g)，相对较低的嵌锂电位，充放电过程不易团聚，较其他金属基材料具有更高的物理稳定性和化学稳定性，已成为锂离子电池负极材料领域的研究热点。但是硅基材料在深度脱嵌锂过程中由于体积效应产生的应力作用容易造成硅晶格结构的崩塌和材料粉化，致使活性物质脱离电极材料体系而失去活性，因此具有很差的循环稳定性。对硅基材料主要改进方法有采用Ni、Fe以及Cu等金属与硅复合，形成以硅为活性中心，以惰性金属为分散载体的活性/惰性复合体系，改善材料的导电性能的同时，提高了含硅材料的循环性能。但是这种材料容易形成惰性的金属硅相，而且这些金属本身的摩尔质量比较大，属于非嵌锂材料，因此在一定程度上削弱了硅基材料的比容量；另外金属本身具有电子导电性，不具备离子导电性，使得电解质难于浸入，从而失去活性。另外一种方法就是有碳材料包覆的方法，比金属的摩尔质量低，而且电解质易于浸入，相对效果较金属要好，材料性能有一定的改进，但还是较差。
石墨烯具有良好的导电性、空隙分布以及较高的机械性能，利用石墨烯材料替代传统的碳材料，与硅结合制备的硅与石墨烯复合电极材料具有良好的电化学稳定性。传统的硅与石墨烯复合电极材料普遍采用含硅化合物还原法制备，过程繁琐，耗时长，且产率受影响。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种制备过程相对简单易行的硅与石墨烯复合电极材料及其制备方法。
一种硅与石墨烯复合电极材料，其特征在于，所述复合电极材料包括纳米硅和石墨烯，其中，石墨烯为层状结构，纳米硅分散在石墨烯的层状结构之中，纳米硅在所述复合电极材料中的质量百分数为10～50％。
一种硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：分别制备均匀分散的氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液；
步骤二：将所述氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液按照氧化石墨烯与纳米硅的质量比为1～9∶1混合均匀，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液；
步骤三：将所述混合溶液进行水热还原反应，得到所述硅与石墨烯复合电极材料。
在优选的实施方式中，步骤一中，制备所述氧化石墨烯溶液包括如下步骤：将氧化石墨加入到溶剂中超声分散0.5～1小时，以形成单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。
在优选的实施方式中，所述氧化石墨按照下述步骤制备：
提供石墨原料；
将石墨原料、过硫酸钾和五氧化二磷加入至80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6小时以上，抽滤，洗涤至中性，干燥，得到混合样品；
将所述混合样品加入至0℃的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，体系的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持30分钟后，缓慢加入去离子水，15分钟后，再加入含双氧水的去离子水，直至溶液的颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用浓度为10％的盐酸进行洗涤，抽滤，60℃真空干燥即得到氧化石墨。
在优选的实施方式中，所述石墨原料为纯度不低于99.5％的天然鳞片石墨。
在优选的实施方式中，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮。
在优选的实施方式中，步骤一中，制备均匀分散的纳米硅溶液包括如下步骤：将纳米硅的粉末加入到溶剂中，超声分散10～30分钟，得到均匀分散的纳米硅溶液。
在优选的实施方式中，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮。
在优选的实施方式中，所述纳米硅的粒径为20-60nm。
在优选的实施方式中，步骤三中水热反应还原所述混合溶液包括如下步骤：将所述混合溶液置于水热反应釜中，在100～150℃下反应5～10小时，待反应体系冷却至室温时，过滤，得到粗产物，用甲醇和去离子水洗涤粗产物多次，室温下干燥后即得到所述硅与石墨烯复合电极材料。
将氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液混合，然后通过水热法还原氧化石墨烯，纳米硅能够很好的分散在石墨烯的片层之间，防止石墨烯团聚，可以使复合电极材料达到较高的比表面积；同时，该制备工艺流程简单，反应时间短，从而反应过程中原料损失较少，产率相对较高。制得的硅与石墨烯复合电极材料中，由于石墨烯的高导电性能够很好的将电子传导到单质硅上，提高了导电性，能够充分发挥了硅的高容量特性，又可以提高其稳定性，适合作为锂离子电池的负极材料。
【附图说明】
图1为一实施方式的硅与石墨烯复合电极材料的制备流程图；
图2为实施例1制得的硅与石墨烯复合电极材料的SEM图片。
【具体实施方式】
下面主要结合附图及具体实施例对硅与石墨烯复合电极材料及其制备方法作进一步详细的说明。
本实施方式提供了一种硅与石墨烯复合电极材料及其制备方法，该复合电极材料包括纳米硅和石墨烯。其中，石墨烯为层状结构，纳米硅分散在石墨烯的层状结构之中，复合材料中纳米硅的质量百分数为10～50％。纳米硅和石墨烯能达到分子级别的混合，有良好的一致性和均匀性；大片的石墨烯片上吸附纳米硅，可以提供给纳米硅离子电导率，同时可以显著提高纳米硅的电子电导率。
本实施方式的硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，制备工艺流程如下：
石墨→氧化石墨→氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液→硅与石墨烯复合电极材料
如图1所示，该制备过程包括如下步骤：
步骤S1：分别制备均匀分散的氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液。具体包括如下步骤：
步骤S11：提供石墨原料。
石墨原料优选纯度不低于99.5％的天然鳞片石墨。
步骤S12：将石墨原料、过硫酸钾和五氧化二磷加入至80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6小时以上，抽滤，洗涤至中性，干燥，得到混合样品；
将所述混合样品加入至0℃的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，体系的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持30分钟后，缓慢加入去离子水，15分钟后，再加入含双氧水的去离子水，直至溶液的颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用浓度为10％的盐酸进行洗涤，抽滤，60℃真空干燥即得到氧化石墨。
步骤S13：将制得的氧化石墨加入到溶剂中超声分散0.5～1小时，以形成单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。
其中，溶剂可以为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮等有机溶剂。
步骤S14：将纳米硅的粉末加入到溶剂中，超声分散10～30分钟，得到均匀分散的纳米硅溶液。
纳米硅的粒径优选为20-60nm。
优选的，为便于纳米硅溶液与氧化石墨烯溶液充分混合均匀，用于溶解纳米硅的溶剂选用与用于溶解氧化石墨的溶剂相同。
步骤S2：将所述氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液按照氧化石墨烯与纳米硅的质量比为2～3∶1混合均匀，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液。
步骤S3：将所述混合溶液进行水热还原反应，得到所述硅与石墨烯复合电极材料。
具体如下：将氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液置于水热反应釜中，在100～150℃下反应5～10小时，待反应体系冷却至室温时，过滤，得到粗产物，用甲醇和去离子水洗涤粗产物多次，室温下干燥后即得到所述硅与石墨烯复合电极材料。
通过将氧化石墨烯溶液与纳米硅溶液混合，然后水热法还原氧化石墨烯，纳米硅能够很好的分散在石墨烯的片层之间，防止石墨烯团聚，可以使复合电极材料达到较高的比表面积；同时，该制备工艺流程简单，反应时间短，从而反应过程中原料损失较少，产率相对较高。制得的硅与石墨烯复合电极材料中，由于石墨烯的高导电性能够很好的将电子传导到单质硅上，提高了导电性，能够充分发挥了硅的高容量特性，又可以提高其稳定性，适合作为锂离子电池的负极材料。
以下为具体实施例部分：
实施例1
本实施例的硅与石墨烯复合电极材料工艺流程如下：
天然鳞片石墨→氧化石墨→氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液→硅与石墨烯复合电极材料
(1)天然鳞片石墨：纯度99.5％。
(2)氧化石墨：
将20g石墨原料、10g过硫酸钾和10g五氧化二磷加入80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6小时以上，抽滤，洗涤至中性，干燥，得混合样品；
将干燥后的混合样品加入至0℃、230mL的浓硫酸中，再加入60g高锰酸钾，体系的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持30分钟后，缓慢加入920mL去离子水；
15分钟后，再向体系中加入2.8L去离子水，直至混合物颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用5L浓度为10％的盐酸进行洗涤，抽滤，在60℃真空干燥48小时即得到氧化石墨，其中，上述2.8L去离子水中含有50mL浓度为30％的双氧水。
(3)氧化石墨与纳米硅的混合溶液：将制备出来的氧化石墨加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中超声分散0.5小时，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液；
称取20g的纳米硅粉末溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，超声分散10分钟，以形成分散均匀的纳米硅溶液；
将纳米硅溶液慢慢加入到氧化石墨烯溶液中，室温剧烈搅拌0.5小时，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液；
(4)硅与石墨烯复合电极材料：将步骤(3)所得的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液放入水热反应釜中，在100℃下还原反应10小时，待溶液冷却至室温时，将样品过滤，用甲醇和水洗涤三次，室温下干燥后即得到硅与石墨烯复合电极材料。如图2所示，从硅与石墨烯复合电极材料的SEM图片可以看出，纳米硅能够很好的分散在石墨烯的片层之间。
实施例2
本实施例的硅与石墨烯复合电极材料工艺流程如下：
天然鳞片石墨→氧化石墨→氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液→硅与石墨烯复合电极材料
(1)氧化石墨的制备过程同实施例1。
(2)氧化石墨与纳米硅的混合溶液：将制备出来的氧化石墨加入到N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中超声分散1小时，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液；
称取10g的纳米硅粉末溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，超声分散30分钟，以形成分散均匀的纳米硅溶液；
将纳米硅溶液慢慢加入到氧化石墨烯溶液中，室温剧烈搅拌1小时，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液；
(3)硅与石墨烯复合电极材料：将步骤(2)所得的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液放入水热反应釜中，在120℃下还原反应5小时，待溶液冷却至室温时，将样品过滤，用甲醇和水洗涤三次，室温下干燥后即得到硅与石墨烯复合电极材料。
实施例3
本实施例的硅与石墨烯复合电极材料工艺流程如下：
天然鳞片石墨→氧化石墨→氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液→硅与石墨烯复合电极材料
(1)氧化石墨的制备过程同实施例1。
(2)氧化石墨与纳米硅的混合溶液：将制备出来的氧化石墨加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中超声分散0.5小时，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液；
称取5g的纳米硅粉末溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中，超声分散10分钟，以形成分散均匀的纳米硅溶液；
将纳米硅溶液慢慢加入到氧化石墨烯溶液中，室温剧烈搅拌0.5小时，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液；
(3)硅与石墨烯复合电极材料：将步骤(2)所得的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液放入水热反应釜中，在150℃下还原反应10小时，待溶液冷却至室温时，将样品过滤，用甲醇和水洗涤三次，室温下干燥后即得到硅与石墨烯复合电极材料。
实施例4
本实施例的硅与石墨烯复合电极材料工艺流程如下：
天然鳞片石墨→氧化石墨→氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液→硅与石墨烯复合电极材料
(1)氧化石墨的制备过程同实施例1。
(2)氧化石墨与纳米硅的混合溶液：将制备出来的氧化石墨加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中超声分散1小时，形成以单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液；
称取2.3g的纳米硅粉末溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，超声分散30分钟，以形成分散均匀的纳米硅溶液；
将纳米硅溶液慢慢加入到氧化石墨烯溶液中，室温剧烈搅拌1小时，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液；
(3)硅与石墨烯复合电极材料：将步骤(2)所得的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液放入水热反应釜中，在150℃下还原反应5小时，待溶液冷却至室温时，将样品过滤，用甲醇和水洗涤三次，室温下干燥后即得到硅与石墨烯复合电极材料。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种硅与石墨烯复合电极材料，其特征在于，所述复合电极材料包括纳米硅和石墨烯，其中，石墨烯为层状结构，纳米硅分散在石墨烯的层状结构之中，纳米硅在所述复合电极材料中的质量百分数为10～50％。
2.一种硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：分别制备均匀分散的氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液；
步骤二：将所述氧化石墨烯溶液和纳米硅溶液按照氧化石墨烯与纳米硅的质量比为1～9∶1混合均匀，得到均匀分散的氧化石墨烯与纳米硅的混合溶液；
步骤三：将所述混合溶液进行水热还原反应，得到所述硅与石墨烯复合电极材料。
3.如权利要求2所述的硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，制备所述氧化石墨烯溶液包括如下步骤：将氧化石墨加入到溶剂中超声分散0.5～1小时，以形成单片层均匀分散的氧化石墨烯溶液。
4.如权利要求3所述的硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨按照下述步骤制备：
提供石墨原料；
将所述石墨原料、过硫酸钾和五氧化二磷加入至80℃的浓硫酸中，搅拌均匀，冷却6小时以上，抽滤，洗涤至中性，干燥，得到混合样品；
将所述混合样品加入至0℃的浓硫酸中，再加入高锰酸钾，体系的温度保持在20℃以下，然后在35℃的油浴中保持30分钟后，缓慢加入去离子水，15分钟后，再加入含双氧水的去离子水，直至溶液的颜色变为亮黄色，趁热抽滤，再用浓度为10％的盐酸进行洗涤，抽滤，60℃真空干燥即得到氧化石墨。
5.如权利要求4所述的硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述石墨原料为纯度不低于99.5％的天然鳞片石墨。
6.如权利要求3或4所述的硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮。
7.如权利要求2所述的硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，制备均匀分散的纳米硅溶液包括如下步骤：将纳米硅的粉末加入到溶剂中，超声分散10～30分钟，得到均匀分散的纳米硅溶液。
8.如权利要求7所述的硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮。
9.如权利要求2或7所述的硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述纳米硅的粒径为20-60nm。
10.如权利要求2所述的硅与石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤三中水热反应还原所述混合溶液包括如下步骤：将所述混合溶液置于水热反应釜中，在100～150℃下反应5～10小时，待反应体系冷却至室温时，过滤，得到粗产物，用甲醇和去离子水洗涤所述粗产物至少三次，室温下干燥后即得到所述硅与石墨烯复合电极材料。
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