一种硅炭/石墨烯复合材料制备方法及其储能应用.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114906834A(43)申请公布日2022.08.16(21)申请号202210501120.4(22)申请日2022.05.09(71)申请人北京化工大学地址100029北京市朝阳区北三环东路15号(72)发明人宋怀河李琨袁满陈晓红(51)Int.Cl.C01B32/05(2017.01)C01B32/184(2017.01)C01B33/02(2006.01)H01M4/36(2006.01)H01M4/38(2006.01)H01M4/583(2010.01)H01M10/0525(2010.01)权利要求书1页说明书4页附图1页(54)发明名称一种硅炭/石墨烯复合材料制备方法及其储能应用(57)摘要本发明提供一种硅炭/石墨烯复合材料制备方法及其储能应用，涉及锂离子电池电极材料领域。纳米硅颗粒在炭基体内部实现了纳米尺度下的均匀分散，添加的高导电性材料均匀的嵌入并分散在复合材料内部，形成相互联通且致密的导电网络。将纳米导电材料与纳米硅颗粒混合，配制成均匀的混合溶液；随后在一定搅拌速率下加入适量沥青；搅拌一定时间后快速升温挥发溶剂，得到产物；将产物放入高温炭化炉中，在氮气氛围内加热至700‑1000℃，得到最终产物。制备出的复合材料具有低的比表面积和高的振实密度。将该材料作为锂离子电池负极材料时，显示出较高的可逆容量和循环稳定性。CN114906834ACN114906834A权利要求书1/1页1.一种硅炭/石墨烯复合材料制备方法及其储能应用，其特征在于：此复合材料的比表面积在5‑20m2/g之间，振实密度在0.9‑1.2g/ml之间，纳米硅颗粒在炭基体内部可以实现在纳米尺度下的均匀分散；同时，添加的高导电性材料均匀的嵌入并分散在复合材料内部，形成相互联通且致密的导电网络，实现导电性能的较大提升；复合材料的断面呈现出的褶皱状结构，即为纳米尺度下均匀嵌入的导电网络；其特征在于按下列方法制得：步骤1)：称取一定量的高导电性材料，使其分散在特定的有机溶剂中形成分散液，随后加入适量纳米硅颗粒，搅拌均匀，形成混合溶液；步骤2)：称取一定量的沥青，缓慢加入至步骤1)中制备的混合溶液里，随后搅拌一定时间；步骤3)：在一定搅拌速率下，将体系快速加热升温至150‑250℃，使其快速挥发有机溶剂；待溶剂完全挥发后，冷却至室温；步骤4)：将产物放入高温炭化炉中，在氮气氛围内加热至700～1000℃，得到最终产物。2.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：高导电性材料选自氧化石墨烯、石墨烯、碳纳米管、Mxene等一维或二维材料中的一种或几种，沥青选自石油沥青、煤沥青、合成沥青、中间相沥青或煤液化残渣，有机溶剂可选用吡啶、四氢呋喃、N‑甲基吡咯烷酮、N,N‑二甲基甲酰胺。3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：高导电性材料的质量占沥青质量的0.1％～10％；纳米硅颗粒粒径约为20‑300nm，占沥青质量的1％～20％；混合溶液中沥青的浓度为10～50mgml‑1。4.一种由权利要求1至4所述方法得到的具有嵌入式导电网络结构的硅炭/石墨烯复合材料的应用，用于锂离子电池负极材料。2CN114906834A说明书1/4页一种硅炭/石墨烯复合材料制备方法及其储能应用技术领域[0001]本发明涉及锂离子电池负极材料领域，特别涉及一种硅炭/石墨烯复合材料制备方法及其储能应用。背景技术[0002]随着时代的发展，手机、平板电脑、笔记本电脑等各种便携式电子产品广泛应用在人们的生活中，新能源汽车也更加普及，这对能源存储系统的要求越来越高。锂离子电池由于具有较高的比容量，快速可逆充放电和高库伦效率等优点，已经在各种小型电子产品和新能源汽车中普及。石墨作为锂离子电池负极的材料，由于成本较低、稳定性好以及较长的循环寿命等优点，被广泛使用。然而石墨的理论容量只有372mAh/g，并且大电流下充放电容量较低，限制了其在大功率储能器件上的应用。[0003]硅在地壳中的储量十分丰富，其作为半导体材料已经广泛应用于芯片材料、电子材料以及太阳能光电板等领域。当硅作为锂离子电池负极材料时，更是具有远超石墨材料的理论比容量(4200mAh/g)。但是，由于硅在充放电过程中体积膨胀较大(膨胀率约为300％)，极易发生结构的破坏，导致出现较低的可逆容量、较差的循环稳定性；同时硅的电子导电性较低，导致硅负极材料的倍率性能较差。[0004]炭材料常与硅进行复合，来缓冲硅在充放电过程中的体积膨胀效应。同时，石墨烯、碳纳米管、Mxene等纳米材料的添加，可有效的提高硅基材料的导电性和循环稳定性。专利CN106058181A“石墨烯支撑的碳包覆纳米颗粒复合电极材料的制备方法”通过水热法将碳包覆的纳米硅颗粒负载在三维石墨烯的网络结构上，