CN110504416A - 一种碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管‑石墨烯‑硅复合锂电池材料的制备方法，包括：(1)将碳纳米管粉末和氧化石墨烯粉末分散在去离子水和乙醇的混合溶液中，于20～30℃条件下超声处理1～3h，获得碳纳米管‑石墨烯的混合溶液；(2)将纳米硅分散于上述碳纳米管‑石墨烯的混合溶液中，超声0.5～2h，得到混合悬浮液，其中，所述纳米硅和所述碳纳米管‑石墨烯的质量之比为0.5～5:1；(3)将上述混合悬浮液于80～110℃的条件下进行溶剂蒸发处理，得到的粘稠物在60～80℃的惰性气氛中干燥8～12h，研磨成粉，压片，得到碳纳米管‑石墨烯‑硅复合锂电池材料。本发明中的碳纳米管‑石墨烯‑硅复合锂电池材料的导电性能和机械性能得到很大的提升，同时该制备方法简单、成本低、可重复性好。

Description

一种碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法
技术领域
本发明涉及电池电极材料技术领域，特别是涉及一种碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法。
背景技术
新型高能化学电源技术的快速发展，对锂离子电池电极材料提出了更高的要求。具有高能量密度、高功率密度、良好的充放电循环特性的锂离子电池电极材料受到广泛关注。同时采用低成本和对环境友好的制备工艺也成为发展新型电池材料的研究重点。
目前，碳材料是商品化的锂离子电池的主要负极材料。但是碳材料的储锂能力较低，限制了锂离子电池容量的进一步提高。在各种非碳负极材料中，硅以其独特的优势和潜力吸引了越来越多研究者的目光；硅的理论储锂容量高达4200mAh·g-1，超过石墨容量的10倍，硅的电压平台略高于石墨，在充电时难以引起表面析锂的现象，安全性能优于石墨负极材料；另外，硅是地壳中含量最丰富的元素之一，来源广泛、价格便宜；但是，硅作为下一代锂离子电池负极仍然存在很多的问题：其一，在电化学储锂过程中，硅原子结合锂原子得到Li4.4Si合金相，材料的体积膨胀变化达到300％以上，巨大的体积效应产生的机械作用力会使电极活性物质与集流体之间逐渐脱开并且硅活性相自身也会粉化，从而丧失与集流体的电接触，造成电极循环性能迅速下降；其二，硅本身是半导体材料，本征电导率低，仅有6.7·10-4S·cm-1，需加入导电剂以提高电极的电子电导；其三，现有电解液中的LiPF6分解产生微量HF对硅造成腐蚀，导致硅基负极容量衰减，并且，由于其剧烈的体积效应，硅在常规的LiPF6电解液中难以形成稳定的表面固体电解质(SEI)膜，伴随着电极结构的破坏，在新暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，导致充放电效率降低，容量衰减加剧。
为此，有必要针对上述问题，提出一种碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，其能够解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，包括：
(1)将碳纳米管粉末和氧化石墨烯粉末分散在去离子水和乙醇的混合溶液中，于20～30℃条件下超声处理1～3h，获得碳纳米管-石墨烯的混合溶液；
(2)将纳米硅分散于上述碳纳米管-石墨烯的混合溶液中，超声0.5～2h，得到混合悬浮液，其中，所述纳米硅和所述碳纳米管-石墨烯的质量之比为0.5～5:1；
(3)将上述混合悬浮液于80～110℃的条件下进行溶剂蒸发处理，得到的粘稠物在60～80℃的惰性气氛中干燥8～12h，研磨成粉，压片，得到碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料。
优选的，步骤(1)中，所述去离子水和所述乙醇的体积之比为1:2～10。
优选的，所述去离子水和所述乙醇的体积之比为1:2～6。
优选的，步骤(2)中，所述纳米硅和所述碳纳米管-石墨烯的质量之比为0.5～3:1。
优选的，步骤(2)中，所述纳米硅的粒径为50～200nm。
优选的，步骤(1)中，所述氧化石墨烯的制备方法包括：1)将1000mL烧杯置于冰水浴中，依次加入300ml浓硫酸，8g石墨，6g硝酸钠，搅拌1～2h；在保持温度低于10℃的条件下，将30g高锰酸钾缓慢加入烧杯中，搅拌1～2h，撤去冰水浴，在20～30℃条件下磁力搅拌72～120h，获得黏稠液体；2)向黏稠液体中边搅拌边加入500mL5wt％的硫酸，继续搅拌1～2h，再加入20g30wt％的双氧水和去离子水继续搅拌1～2h，静置12～24h，获得产物；3)将产物分别用3％的稀盐酸、蒸馏洗涤，离心，去除沉淀，获得氧化石墨烯悬浮液。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的导电性能和机械性能得到很大的提升，同时该制备方法简单、成本低、可重复性好。
具体实施方式
本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本发明公开一种碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，包括：
(1)将碳纳米管粉末和氧化石墨烯粉末分散在去离子水和乙醇的混合溶液中，于20～30℃条件下超声处理1～3h，获得碳纳米管-石墨烯的混合溶液；
(2)将纳米硅分散于上述碳纳米管-石墨烯的混合溶液中，超声0.5～2h，得到混合悬浮液，其中，所述纳米硅和所述碳纳米管-石墨烯的质量之比为0.5～5:1；
(3)将上述混合悬浮液于80～110℃的条件下进行溶剂蒸发处理，得到的粘稠物在60～80℃的惰性气氛中干燥8～12h，研磨成粉，压片，得到碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料。
上述步骤(1)中，所述去离子水和所述乙醇的体积之比为1:2～10，优选的，所述去离子水和所述乙醇的体积之比为1:2～6，进一步优选的，所述去离子水和所述乙醇的体积之比为1:4。
上述步骤(2)中，步骤(2)中，所述纳米硅和所述碳纳米管-石墨烯的质量之比为0.5～3:1，优选的，所述纳米硅和所述碳纳米管-石墨烯的质量之比为2:1；所述纳米硅的粒径为50～200nm。
在一实施例中，所述氧化石墨烯的制备方法包括：
1)将1000mL烧杯置于冰水浴中，依次加入300ml浓硫酸，8g石墨，6g硝酸钠，搅拌1～2h；在保持温度低于10℃的条件下，将30g高锰酸钾缓慢加入烧杯中，搅拌1～2h，撤去冰水浴，在20～30℃条件下磁力搅拌72～120h，获得黏稠液体；
2)向黏稠液体中边搅拌边加入500mL5wt％的硫酸，继续搅拌1～2h，再加入20g30wt％的双氧水和去离子水继续搅拌1～2h，静置12～24h，获得产物；
3)将产物分别用3％的稀盐酸、蒸馏洗涤，离心，去除沉淀，获得氧化石墨烯悬浮液。
下述以具体地实施例进行说明，以制备本发明中的碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料。
实施例
1、氧化石墨烯的制备
1)将1000mL烧杯置于冰水浴中，依次加入300ml浓硫酸，8g石墨，6g硝酸钠，搅拌1.5h；在保持温度低于10℃的条件下，将30g高锰酸钾缓慢加入烧杯中，搅拌1.5h，撤去冰水浴，在25℃条件下磁力搅拌100h，获得黏稠液体；
2)向黏稠液体中边搅拌边加入500mL5wt％的硫酸，继续搅拌2h，再加入20g30wt％的双氧水和去离子水继续搅拌1.5h，静置18h，获得产物；
3)将产物分别用3％的稀盐酸、蒸馏洗涤，离心，去除沉淀，获得氧化石墨烯悬浮液。
2、碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备
(1)将碳纳米管粉末和氧化石墨烯粉末分散在体积之比为1:4的去离子水和乙醇的混合溶液中，于30℃条件下超声处理2h，获得碳纳米管-石墨烯的混合溶液；
(2)将纳米硅分散于上述碳纳米管-石墨烯的混合溶液中，超声0.5～2h，得到混合悬浮液，其中，所述纳米硅和所述碳纳米管-石墨烯的质量之比为2:1，且，所述纳米硅的粒径为50～200nm；
(3)将上述混合悬浮液于95℃的条件下进行溶剂蒸发处理，得到的粘稠物在70℃的惰性气氛中干燥10h，研磨成粉，压片，得到碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (6)

1.一种碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将碳纳米管粉末和氧化石墨烯粉末分散在去离子水和乙醇的混合溶液中，于20～30℃条件下超声处理1～3h，获得碳纳米管-石墨烯的混合溶液；
(2)将纳米硅分散于上述碳纳米管-石墨烯的混合溶液中，超声0.5～2h，得到混合悬浮液，其中，所述纳米硅和所述碳纳米管-石墨烯的质量之比为0.5～5:1；
(3)将上述混合悬浮液于80～110℃的条件下进行溶剂蒸发处理，得到的粘稠物在60～80℃的惰性气氛中干燥8～12h，研磨成粉，压片，得到碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述去离子水和所述乙醇的体积之比为1:2～10。
3.根据权利要求2所述的碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，其特征在于，所述去离子水和所述乙醇的体积之比为1:2～6。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述纳米硅和所述碳纳米管-石墨烯的质量之比为0.5～3:1。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述纳米硅的粒径为50～200nm。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管-石墨烯-硅复合锂电池材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氧化石墨烯的制备方法包括：1)将1000mL烧杯置于冰水浴中，依次加入300ml浓硫酸，8g石墨，6g硝酸钠，搅拌1～2h；在保持温度低于10℃的条件下，将30g高锰酸钾缓慢加入烧杯中，搅拌1～2h，撤去冰水浴，在20～30℃条件下磁力搅拌72～120h，获得黏稠液体；2)向黏稠液体中边搅拌边加入500mL5wt％的硫酸，继续搅拌1～2h，再加入20g30wt％的双氧水和去离子水继续搅拌1～2h，静置12～24h，获得产物；3)将产物分别用3％的稀盐酸、蒸馏洗涤，离心，去除沉淀，获得氧化石墨烯悬浮液。
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