CN107394138A - 锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1）将硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂置于有机溶剂中配制出分散液；2）提供金属催化衬底，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面；3）在步骤2）得到的结构的上表面形成石墨烯薄膜。本发明的电池负极材料结构不仅保留了硅负极材料和石墨烯的固有特性，亦可发挥两者之间的协同效应；同时，可实现硅纳米材料/碳纳米材料复合薄膜与金属催化衬底集流体之间的有效接触，不仅可以提供高效的储锂能力，亦缓解了硅纳米材料在充放电过程中较大的体积变化，有效抑制和改善负极材料内部应力的产生避免负极材料粉化。

Description

锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法
技术领域
本发明属于材料制备加工技术领域，特别是涉及一种锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法。
背景技术
自日本索尼公司成功研制出第一代锂离子电池，由于其能量密度高，循环寿命长以及环境污染小等诸多优点使它成为了大多数便携式电子设备所青睐的首选电池。锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜组成。通常情况下，锂离子的正极由含锂的金属化合物(如钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)和锰酸锂(LiMn2O4)构成。而负极由能够可储存锂离子的材料组成，如碳、过渡金属以及其他合金材料(如硅、锗)。负极材料的选择对锂离子电池的电化学性能和循环稳定性都具有较大的影响。石墨虽然广泛应用于锂离子电池负极材料，但是由于其较低的理论比容量以及充放电能力差等缺点限制了锂离子电池储锂性能的提升。为了提高锂离子电池的能量密度和储锂能力，科研人员正在不断探索更加适用于锂离子电池负极的材料，以期研制出更高质量和安全性好的锂离子电池。
硅由于其超高的理论比容量以及理想的工作电压，使其被认为是最有发展前景的负极材料之一。但是硅作为锂离子电池负极也有劣势，就是在反复脱-嵌锂过程中，材料体积发生大的变化，电极内部产生较大的应力，使负极材料粉化致使结构破坏，电化学循环性能差。同时，由于硅电极体积的改变，使得电极表面形成的固体电解质界面膜(SEI)不断破裂，导致其失去阻止有机溶剂分子进入到电极材料中的功能。而且，重新暴露的电极表面会与电解液反应以形成新的SEI膜，如此反复致使SEI膜的厚度不断增加最终导致储锂性能的大幅衰减，严重限制了硅在锂离子电池中的应用和发展。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法，用于解决现有技术中的石墨作为锂离子电池负极而存在理论比容量低、充放电能力差的问题，以及硅作为锂离子电池负极而存在的提及变化大、循环稳定性差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种锂离子电池负极材料结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)将硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂置于有机溶剂中配制出分散液；
2)提供金属催化衬底，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面；
3)在步骤2)得到的结构的上表面形成石墨烯薄膜。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述硅纳米材料包括硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维中的至少一种。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述碳纳米材料包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯中的至少一种。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述添加剂包括导电添加剂、稳定剂和粘结剂中的至少一种。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，所述导电添加剂包括乙炔黑或石墨中的至少一种。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、乙醇或异丙醇中的至少一种。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述分散液中所述硅纳米材料的浓度为3mg/ml～300mg/ml；所述分散液中所述碳纳米材料的浓度为0.1mg/ml～30mg/ml。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，所述金属催化衬底的材料为金、铂、钯、铱、钌、镍、铜中的一种或至少两种的合金材料、或具有以上金属镀层或合金镀层的其他金属箔衬底材料。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面之前还包括将所述金属催化衬底进行清洗及抛光处理的步骤。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，采用醋酸、硝酸或盐酸对所述金属催化衬底进行化学抛光或在磷酸条件下对所述金属催化衬底进行电化学抛光。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，采用浸渍提拉、旋涂、刮刀、喷涂、湿涂、丝网印刷、滚轮涂布或板式涂布中的任一种将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤2)与步骤3)之间还包括将步骤2)得到的结构进行热处理步骤，以将涂覆的所述分散液进行固化。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，将步骤2)得到的结构置于还原气氛中加热至反应温度，并向所述还原气氛中通入碳源气体以在步骤2)得到的结构的上表面形成所述石墨烯薄膜。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，将步骤2)得到的结构置于还原气氛中加热至反应温度，并向所述还原气氛中通入碳源气体以在步骤2)得到的结构的上表面形成所述石墨烯薄膜具体包括如下步骤：
3-1)将步骤2)得到的结构置于管式炉中；
3-2)向所述管式炉中通入还原性气体，将步骤2)得到的结构加热至所述反应温度保温，并在保温过程中向所述管式炉中通入碳源气体，以在步骤2)得到的结构的上表面形成所述石墨烯薄膜。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤3-1)与步骤3-2)之间还包括对还原性气体管路进行清洗的步骤。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤3-2)中，向所述管式炉中通入的还原性气体包括氢气、氢气与氮气的混合气体或氢气与氩气的混合气体。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤3-2)中，向所述管式炉中通入的碳源气体包括甲烷、乙烯、乙炔、乙醇或环己烷中的至少一种。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤3-2)中，所述反应温度为500℃～1000℃。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的制备方法的一种优选方案，步骤3-2)中，保温时间为5min～30min。
本发明还提供一种锂离子电池负极材料结构，所述锂离子电池负极材料结构包括：
金属催化衬底；
固化材料层，位于所述金属催化衬底的上表面；所述固化材料层为包括硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂的复合材料层；
石墨烯薄膜，位于所述固化材料层的上表面。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的一种优选方案，所述金属催化衬底的材料为金、铂、钯、铱、钌、镍、铜中的一种或至少两种的合金材料、或具有以上金属镀层或合金镀层的其他金属箔衬底材料。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的一种优选方案，所述硅纳米材料包括硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维中的至少一种。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的一种优选方案，所述碳纳米材料包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯中的至少一种。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的一种优选方案，所述添加剂包括导电添加剂、粘结剂和稳定剂中的至少一种。
作为本发明的锂离子电池负极材料结构的一种优选方案，所述导电添加剂包括乙炔黑或石墨中的至少一种。
本发明还提供一种锂离子电池负极，所述锂离子电池负极包括如上述任一方案中所述的锂离子电池负极材料结构。
本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括如上述方案中所述的锂离子电池负极。
如上所述，本发明的锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法，具有以下有益效果：本发明通过在制备过程中选用硅纳米材料作为活性材料，碳纳米材料作为导电添加剂和分散剂，采用化学气相沉积法制备可直接在涂覆有硅纳米材料/碳纳米材料复合薄膜的金属催化衬底表面生长石墨烯薄膜从而形成复合负极材料，不仅保留了硅负极材料和石墨烯的固有特性，同时发挥两者之间的协同效应，应用价值更加广泛；同时，可实现硅纳米材料/碳纳米材料复合薄膜与金属催化衬底集流体之间的有效接触，不仅可以提供高效的储锂能力，同时石墨烯薄膜为柔性网格基底，亦缓解了硅纳米材料在充放电过程中较大的体积变化，有效抑制和改善负极材料内部应力的产生避免负极材料粉化，且制备工艺简单，有利于工业化生产，亦能够有效改善锂离子电池的电化学稳定性以及性能。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的锂离子电池负极材料结构的制备方法的流程图。
图2至图4显示为本发明实施例一中提供的锂离子电池负极材料结构的制备方法在各步骤中的结构示意图。
图5显示为本发明实施例一中提供的锂离子电池负极材料结构的制备方法制备的锂离子电池负极材料结构用于锂离子电池负极的循环伏安测试图。
元件标号说明
1 金属催化衬底
2 固化材料层
3 石墨烯薄膜
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1，本发明提供一种锂离子电池负极材料结构的制备方法，所述锂离子电池负极材料结构的制备方法包括如下步骤：
1)将硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂置于有机溶剂中配制出分散液；
2)提供金属催化衬底，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面；
3)在步骤2)得到的结构的上表面形成石墨烯薄膜。
在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤，将硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂置于有机溶剂中配制出分散液。
作为示例，所述硅纳米材料可以包括硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维中的至少一种，即所述硅纳米材料可以为硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维，也可以为硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维中任意两种或三种的混合物。优选地，本实施例中，所述硅纳米材料为硅纳米颗粒。
作为示例，所述硅纳米材料的尺寸可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述硅纳米材料的颗粒直径为15nm～300nm。
作为示例，所述碳纳米材料包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯中的至少一种，即所述碳纳米材料可以为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯，也可以为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯中任意两种、三种或四种的混合物。优选地，本实施例中，所述碳纳米材料为碳纳米管。
作为示例，所述添加剂可以包括导电添加剂、稳定剂和粘结剂中的至少一种，优选地，所述导电添加剂包括乙炔黑或石墨中的至少一种，即所述导电添加剂可以为乙炔黑或石墨，也可以为乙炔黑及石墨的混合物。
作为示例，所述有机溶剂可以包括N-甲基吡咯烷酮、乙醇或异丙醇中的至少一种。优选地，本实施例中，所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
作为示例，所述硅纳米材料、所述碳纳米材料及所述添加剂可以以任意比例进行混合溶解于所述有机溶剂中，以配制所需浓度的分散液，优选地，本实施例中，所述分散液中所述硅纳米材料的浓度为3mg/ml～300mg/ml；所述分散液中所述碳纳米材料的浓度为0.1mg/ml～30mg/ml。
在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图2至图3，提供金属催化衬底1，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底1的上表面。
作为示例，提供所述金属催化衬底1，如图2所示，所述金属催化衬底1的材料可以为金、铂、钯、铱、钌、镍、铜中的一种或至少两种的合金材料、或具有以上金属镀层或合金镀层的其他金属箔衬底材料；优选地，本实施例中，所述金属催化衬底1为铜箔衬底。
作为示例，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底1的上表面之前还包括将所述金属催化衬底1进行清洗及抛光处理的步骤。
作为示例，可以将所述金属催化衬底1置于去离子水或有机溶剂中进行清洗，优选地，本实施例中，将所述金属催化衬底1分别置于丙酮和乙醇中进行超声清洗
作为示例，采用醋酸、硝酸或盐酸对所述金属催化衬底1进行化学抛光或在磷酸条件下对所述金属催化衬底1进行电化学抛光，优选地，本实施例中，将清洗后的所述金属催化衬底1置于正磷酸溶液中在5V电压条件下电化学抛光。对所述金属催化衬底1进行电化学抛光的时间可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，对所述金属催化衬底1进行电化学抛光的时间可以为5min～15min。
作为示例，将所述金属催化衬底1抛光后，还包括将清洗抛光后的所述金属催化衬底1用去离子水漂洗干净，并用氮气吹干。
作为示例，可以采用浸渍提拉、旋涂、刮刀、喷涂、湿涂、丝网印刷、滚轮涂布或板式涂布中的任一种将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底1的上表面。优选地，本实施例中，采用旋涂工艺将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底1的上表面。
作为示例，步骤2)与步骤3)之间还包括将步骤2)得到的结构进行热处理步骤，以将涂覆的所述分散液进行固化，以得到固化材料层2，如图3所示。
在步骤,3)中，请参阅图1中的S3步骤及图4，在步骤2)得到的结构的上表面形成石墨烯薄膜3。
作为示例，将步骤2)得到的结构置于还原气氛中加热至反应温度，并向所述还原气氛中通入碳源气体以在步骤2)得到的结构的上表面形成所述石墨烯薄膜3。
具体的，将步骤2)得到的结构置于还原气氛中加热至反应温度，并向所述还原气氛中通入碳源气体以在步骤2)得到的结构的上表面形成所述石墨烯薄膜3具体包括如下步骤：
3-1)将步骤2)得到的结构置于管式炉中；
3-2)向所述管式炉中通入还原性气体，将步骤2)得到的结构加热至所述反应温度保温，并在保温过程中向所述管式炉中通入碳源气体，以在步骤2)得到的结构的上表面形成所述石墨烯薄膜3。
作为示例，步骤3-1)与步骤3-2)之间还包括对还原性气体管路进行清洗的步骤。
作为示例，步骤3-2)中，向所述管式炉中通入的还原性气体包括氢气、氢气与氮气的混合气体或氢气与氩气的混合气体。优选地，本实施例中，所述还原性气体为氢气。
作为示例，步骤3-2)中，向所述管式炉中通入的碳源气体包括甲烷、乙烯、乙炔、乙醇或环己烷中的至少一种，即向所述管式炉中通入的碳源气体可以为甲烷、乙烯、乙炔、乙醇或环己烷，也可以为甲烷、乙烯、乙炔、乙醇或环己烷中任意两种或多种的混合气体。优选地，本实施例中，所述碳源气体为甲烷。
作为示例，步骤3-2)中，所述反应温度为500℃～1000℃，即将步骤2)得到的结构加热至的温度为500℃～1000℃。
作为示例，步骤3-2)中，保温时间为5min～30min。
具体的，在一示例中，将涂覆有所述分散液的金属催化衬底置于管式炉***中，清洗还原性气体输送管路之后，用机械泵将所述管式炉内气压抽至5Pa以下，通入氢气并在1000℃下保温，在保温过程中通入甲烷碳源。
请继续参阅图3，本发明还提供一种锂离子电池负极材料结构，所述锂离子电池负极材料结构采用本实施例中上述制备方法制备而得到，所述锂离子电池负极材料结构包括：金属催化衬底1；固化材料层2，所述固化材料层2位于所述金属催化衬底1的上表面；所述固化材料层2为包括硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂的复合材料层；石墨烯薄膜3，所述石墨烯薄膜位于所述固化材料层2的上表面。
作为示例，所述金属催化衬底1的材料可以为金、铂、钯、铱、钌、镍、铜中的一种或至少两种的合金材料、或具有以上金属镀层或合金镀层的其他金属箔衬底材料；优选地，本实施例中国，所述金属催化衬底1为铜箔衬底。
作为示例，所述硅纳米材料可以包括硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维中的至少一种，即所述硅纳米材料可以为硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维，也可以为硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维中任意两种或三种的混合物。优选地，本实施例中，所述硅纳米材料为硅纳米颗粒。
作为示例，所述碳纳米材料包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯中的至少一种，即所述碳纳米材料可以为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯，也可以为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯中任意两种、三种或四种的混合物。优选地，本实施例中，所述碳纳米材料为碳纳米管。
作为示例，所述添加剂可以包括导电添加剂、粘结剂和稳定剂中的至少一种，优选地，所述导电添加剂包括乙炔黑或石墨中的至少一种，即所述导电添加剂可以为乙炔黑或石墨，也可以为乙炔黑及石墨的混合物。
相较于大颗粒尺寸的硅，硅纳米材料具有更高的循环稳定性和可逆容量；而碳纳米材料兼具优异的电学和力学性能，通过将硅纳米材料与碳纳米材料进行复合，可以将碳纳米材料的结构优势和硅纳米材料的储锂能力相结合来制备锂离子电池的负极材料结构；碳纳米材料可以缓冲硅纳米材料在循环过程中发生的体积膨胀，有效改善硅纳米材料之间的团聚现象，增加材料的导电性；而硅纳米材料由于本身的储锂比容量可以大幅度地提高锂离子电池的循环比容量，使得锂离子电池的储锂能力得到明显的提升。
本发明通过在制备过程中选用硅纳米材料作为活性材料，碳纳米材料作为导电添加剂和分散剂，采用化学气相沉积法制备可直接在涂覆有硅纳米材料/碳纳米材料复合薄膜的金属催化衬底表面生长石墨烯薄膜从而形成复合负极材料，不仅保留了硅负极材料和石墨烯的固有特性，亦可发挥两者之间的协同效应，应用价值更加广泛；同时，可实现硅纳米材料/碳纳米材料复合薄膜与金属催化衬底集流体之间的有效接触，不仅可以提供高效的储锂能力，同时石墨烯薄膜为柔性网格基底，亦缓解了硅纳米材料在充放电过程中较大的体积变化，有效抑制和改善负极材料内部应力的产生避免负极材料粉化，且制备工艺简单，有利于工业化生产，亦能够有效改善锂离子电池的电化学稳定性以及性能。
图5为本实施例中锂离子电池负极材料结构的制备方法制备的锂离子电池负极材料结构用于锂离子电池负极循环6次的伏安测试图，由图5可知，在首次放电过程中，电极会出现一个明显的放电峰，而且会在随后的循环中消失，其对应于电解液不可逆的分解过程以及固态电解质界面的形成；从2次循环开始，两个电极的循环伏安特性曲线在形状上几乎基本保持一致，表明在电极表面已经趋于形成稳定的固态电解质界面和具有相对稳定的结构，且可逆性好。
实施例二
本发明还提供一种锂离子电池负极，所述锂离子电池负极包括如实施例一中所述的锂离子电池负极材料结构。
实施例三
本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括如实施例二中所述的锂离子电池负极。
综上所述，本发明提供一种锂离子电池负极材料结构、锂离子电池及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：1)将硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂置于有机溶剂中配制出分散液；2)提供金属催化衬底，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面；3)在步骤2)得到的结构的上表面形成石墨烯薄膜。本发明通过在制备过程中选用硅纳米材料作为活性材料，碳纳米材料作为导电添加剂和分散剂，采用化学气相沉积法制备可直接在涂覆有硅纳米材料/碳纳米材料复合薄膜的金属催化衬底表面生长石墨烯薄膜从而形成复合负极材料，不仅保留了硅负极材料和石墨烯的固有特性，亦可发挥两者之间的协同效应，应用价值更加广泛；同时，可实现硅纳米材料/碳纳米材料复合薄膜与金属催化衬底集流体之间的有效接触，不仅可以提供高效的储锂能力，同时石墨烯薄膜为柔性网格基底，亦缓解了硅纳米材料在充放电过程中较大的体积变化，有效抑制和改善负极材料内部应力的产生避免负极材料粉化，且制备工艺简单，有利于工业化生产，亦能够有效改善锂离子电池的电化学稳定性以及性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (27)

1.一种锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
1)将硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂置于有机溶剂中配制出分散液；
2)提供金属催化衬底，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面；
3)在步骤2)得到的结构的上表面形成石墨烯薄膜。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述硅纳米材料包括硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述碳纳米材料包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述添加剂包括导电添加剂、稳定剂和粘结剂中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：所述导电添加剂包括乙炔黑或石墨中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、乙醇或异丙醇中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述分散液中所述硅纳米材料的浓度为3mg/ml～300mg/ml；所述分散液中所述碳纳米材料的浓度为0.1mg/ml～30mg/ml。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述金属催化衬底的材料为金、铂、钯、铱、钌、镍、铜中的一种或至少两种的合金材料、或具有以上金属镀层或合金镀层的其他金属箔衬底材料。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤2)中，将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面之前还包括将所述金属催化衬底进行清洗及抛光处理的步骤。
10.根据权利要求8所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：采用醋酸、硝酸或盐酸对所述金属催化衬底进行化学抛光或在磷酸条件下对所述金属催化衬底进行电化学抛光。
11.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤2)中，采用浸渍提拉、旋涂、刮刀、喷涂、湿涂、丝网印刷、滚轮涂布或板式涂布中的任一种将所述分散液涂覆于所述金属催化衬底的上表面。
12.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤2)与步骤3)之间还包括将步骤2)得到的结构进行热处理步骤，以将涂覆的所述分散液进行固化。
13.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：将步骤2)得到的结构置于还原气氛中加热至反应温度，并向所述还原气氛中通入碳源气体以在步骤2)得到的结构的上表面形成所述石墨烯薄膜。
14.根据权利要求13所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：将步骤2)得到的结构置于还原气氛中加热至反应温度，并向所述还原气氛中通入碳源气体以在步骤2)得到的结构的上表面形成所述石墨烯薄膜具体包括如下步骤：
3-1)将步骤2)得到的结构置于管式炉中；
3-2)向所述管式炉中通入还原性气体，将步骤2)得到的结构加热至所述反应温度保温，并在保温过程中向所述管式炉中通入碳源气体，以在步骤2)得到的结构的上表面形成所述石墨烯薄膜。
15.根据权利要求14所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤3-1)与步骤3-2)之间还包括对还原性气体管路进行清洗的步骤。
16.根据权利要求14所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤3-2)中，向所述管式炉中通入的还原性气体包括氢气、氢气与氮气的混合气体或氢气与氩气的混合气体。
17.根据权利要求14所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤3-2)中，向所述管式炉中通入的碳源气体包括甲烷、乙烯、乙炔、乙醇或环己烷中的至少一种。
18.根据权利要求14所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤3-2)中，所述反应温度为500℃～1000℃。
19.根据权利要求14所述的锂离子电池负极材料结构的制备方法，其特征在于：步骤3-2)中，保温时间为5min～30min。
20.一种锂离子电池负极材料结构，其特征在于，所述锂离子电池负极材料结构包括：
金属催化衬底；
固化材料层，位于所述金属催化衬底的上表面；所述固化材料层为包括硅纳米材料、碳纳米材料及添加剂的复合材料层；
石墨烯薄膜，位于所述固化材料层的上表面。
21.根据权利要求20所述的锂离子电池负极材料结构，其特征在于：所述金属催化衬底的材料为金、铂、钯、铱、钌、镍、铜中的一种或至少两种的合金材料、或具有以上金属镀层或合金镀层的其他金属箔衬底材料。
22.根据权利要20所述的锂离子电池负极材料结构，其特征在于：所述硅纳米材料包括硅纳米颗粒、硅纳米线或硅纳米纤维中的至少一种。
23.根据权利要求20所述的锂离子电池负极材料结构，其特征在于：所述碳纳米材料包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯粉体或富勒烯中的至少一种。
24.根据权利要求20所述的锂离子电池负极材料结构，其特征在于：所述添加剂包括导电添加剂、粘结剂和稳定剂中的至少一种。
25.根据权利要求24所述的锂离子电池负极材料结构，其特征在于：所述导电添加剂包括乙炔黑或石墨中的至少一种。
26.一种锂离子电池负极，其特征在于，所述锂离子电池负极包括如权利要求20至25中任一项所述的锂离子电池负极材料结构。
27.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括如权利要求26所述的锂离子电池负极。
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