(一)技术领域
本发明涉及电池负极材料制备领域,特别涉及一种溶剂热法制备石墨烯硅复合负极材料的方法。
(二)
背景技术:
目前锂离子电池负极材料是改性天然石墨和人造石墨,其理论比容量只有372mah/g,在锂硫电池上已经不能与正极活性物质相匹配。针对目前锂离子电池高比能量、高比功率的发展趋势,研究高容量的负极材料是提高锂离子电池性能一个重要方向。
si凭借着其极高的理论比容量(4200mah/g)而备受瞩目。但是硅材料在循环过程中存在严重的体积效应,可逆容量不高,不可逆容量损失较大,库仑效率非常低,循环稳定性不好。碳类材料具有相对弹性的结构。如果将碳与硅实现有效的复合,碳就能缓冲硅嵌脱锂时严重的体积变化,使整体电极的体积变化控制在合理的范围内,在保持硅高容量的同时,提高其循环稳定性。
石墨烯作为二维材料,具有韧性强、导电能力强等优点,如果能将其与硅复合,不仅能缓解硅在充放电过程中的体积变化,还能提高硅碳材料的导电能力。
(三)
技术实现要素:
本发明为了弥补现有技术的不足,提供了一种步骤简单、产品性能好的溶剂热法制备石墨烯硅复合负极材料的方法。
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种溶剂热法制备石墨烯硅复合负极材料的方法,包括如下步骤:
(1)将石墨烯粉体分散到溶剂中,制备石墨烯的水分散液或乙醇分散液,再加入硅粉,继续分散,得到混合液;
(2)将混合液转移到水热反应釜中反应;
(3)反应完成后,取出物料烘干或烘干,经粉碎、研磨、过筛,得到混合物;
(4)将沥青溶解在有机溶剂中,然后将混合物加入,分散,再加入鳞片石墨,分散;分散均匀后,加热蒸干有机溶剂;
(5)将步骤(4)得到的混合物装入瓷舟,煅烧,最后取出,经粉碎、研磨、过筛,得到产品。
本发明通过溶剂热反应实现石墨烯与纳米硅粉的复合,在溶解热反应过程中,氧化石墨烯形成三维立体网络,将纳米硅粉包覆其中,再通过与沥青、石墨混合,高温煅烧而得。氧化石墨烯经过高温煅烧被还原为石墨烯,可以限制及缓冲硅粉在充放电过程中的体积变化。
本发明的更优技术方案为:
步骤(1)中,溶剂为去离子水、超纯水或乙醇;石墨烯为氧化石墨烯或石墨烯。
步骤(2)中,反应温度为80-300℃,时间为1-24h。
步骤(4)中,沥青为煤沥青、石油沥青或改性沥青;鳞片石墨为天然石墨或人造石墨。
所述负极材料中,硅材料占总质量的1-20%,石墨占总质量的2-20%,石墨占总质量的60-97%,石墨烯与硅的比例为1-10:10-1。
本发明步骤简单,设计合理,通过石墨烯与硅的复合,显著地提高了石墨烯硅复合材料的循环性能,以0.2c循环100次以后的容量是首次0.05c容量的95%。
(四)附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为实施例2与对比例循环曲线对比示意图。
(五)具体实施方式
实施例1:一种溶剂热法制备石墨烯硅复合负极材料的方法,包括如下步骤:
(1)称量1g氧化石墨烯粉体,分散到200ml去离子水或乙醇等溶剂中,制备氧化石墨烯的水分散液或乙醇分散液,加入0.5g硅粉,继续分散;
(2)将步骤(1)中的混合物转移到水热反应釜中,在200℃反应12h;
(3)反应完成后,取出物料,烘干或冻干、粉碎、研磨、过筛;
(4)称量0.625g沥青(残炭率按照40%计算),在四氢呋喃等有机溶剂中溶解,加入(3)中的混合物,分散,再加入4.25g鳞片石墨,分散;分散均匀后,加热蒸干有机溶剂;
(5)将(4)中的混合物装入瓷舟,以5℃/min的升温速度升到1000℃,保温3h;煅烧完成后取出,粉碎、研磨、过筛,即得。
实施例2:一种溶剂热法制备石墨烯硅复合负极材料的方法,包括如下步骤:
(1)称量1g氧化石墨烯粉体,分散到200ml去离子水或乙醇等溶剂中,制备氧化石墨烯的水分散液或乙醇分散液,加入0.5g硅粉,继续分散;
(2)将步骤(1)中的混合物转移到水热反应釜中,在150℃反应12h;
(3)反应完成后,取出物料,烘干或冻干、粉碎、研磨、过筛;
(4)称量0.625g沥青(残炭率按照40%计算),在四氢呋喃等有机溶剂中溶解,加入(3)中的混合物,分散,再加入4.25g鳞片石墨,分散;分散均匀后,加热蒸干有机溶剂;
(5)将(4)中的混合物装入瓷舟,以5℃/min的升温速度升到1000℃,保温3h;煅烧完成后取出,粉碎、研磨、过筛,即得。
实施例3:一种溶剂热法制备石墨烯硅复合负极材料的方法,包括如下步骤:
(1)称量1g氧化石墨烯粉体,分散到200ml去离子水或乙醇等溶剂中,制备氧化石墨烯的水分散液或乙醇分散液,加入0.5g硅粉,继续分散;
(2)将步骤(1)中的混合物转移到水热反应釜中,在200℃反应6h;
(3)反应完成后,取出物料,烘干或冻干、粉碎、研磨、过筛;
(4)称量0.625g沥青(残炭率按照40%计算),在四氢呋喃等有机溶剂中溶解,加入(3)中的混合物,分散,再加入4.25g鳞片石墨,分散;分散均匀后,加热蒸干有机溶剂;
(5)将(4)中的混合物装入瓷舟,以5℃/min的升温速度升到1000℃,保温3h;煅烧完成后取出,粉碎、研磨、过筛,即得。
实施例4:一种溶剂热法制备石墨烯硅复合负极材料的方法,包括如下步骤:
(1)称量0.5g氧化石墨烯粉体,分散到200ml去离子水或乙醇等溶剂中,制备氧化石墨烯的水分散液或乙醇分散液,加入0.5g硅粉,继续分散;
(2)将步骤(1)中的混合物转移到水热反应釜中,在200℃反应12h;
(3)反应完成后,取出物料,烘干或冻干、粉碎、研磨、过筛;
(4)称量0.625g沥青(残炭率按照40%计算),在四氢呋喃等有机溶剂中溶解,加入(3)中的混合物,分散,再加入4.25g鳞片石墨,分散;分散均匀后,加热蒸干有机溶剂;
(5)将(4)中的混合物装入瓷舟,以5℃/min的升温速度升到1000℃,保温3h;煅烧完成后取出,粉碎、研磨、过筛,即得。
实施例5:一种溶剂热法制备石墨烯硅复合负极材料的方法,包括如下步骤:
(1)称量1g氧化石墨烯粉体,分散到200ml去离子水或乙醇等溶剂中,制备氧化石墨烯的水分散液或乙醇分散液,加入0.5g硅粉,继续分散;
(2)将步骤(1)中的混合物转移到水热反应釜中,在200℃反应12h;
(3)反应完成后,取出物料,烘干或冻干、粉碎、研磨、过筛;
(4)称量0.625g沥青(残炭率按照40%计算),在四氢呋喃等有机溶剂中溶解,加入(3)中的混合物,分散,再加入4.25g人造石墨,分散;分散均匀后,加热蒸干有机溶剂;
(5)将(4)中的混合物装入瓷舟,以5℃/min的升温速度升到1000℃,保温3h;煅烧完成后取出,粉碎、研磨、过筛,即得。
实施例6:一种溶剂热法制备石墨烯硅复合负极材料的方法,包括如下步骤:
(1)称量1g氧化石墨烯粉体,分散到200ml去离子水或乙醇等溶剂中,制备氧化石墨烯的水分散液或乙醇分散液,加入0.5g硅粉,继续分散;
(2)将步骤(1)中的混合物转移到水热反应釜中,在200℃反应12h;
(3)反应完成后,取出物料,烘干或冻干、粉碎、研磨、过筛;
(4)称量0.625g沥青(残炭率按照40%计算),在四氢呋喃等有机溶剂中溶解,加入(3)中的混合物,分散,再加入4.25g中间相炭微球,分散;分散均匀后,加热蒸干有机溶剂;
(5)将(4)中的混合物装入瓷舟,以5℃/min的升温速度升到1000℃,保温3h;煅烧完成后取出,粉碎、研磨、过筛,即得。
比较例:
(1)称量0.625g沥青(残炭率按照40%计算),在四氢呋喃等有机溶剂中溶解,加入0.5g硅粉,分散,再加入4.25g鳞片石墨,分散;分散均匀后,加热蒸干有机溶剂;
(2)将(1)中的混合物装入瓷舟,以5℃/min的升温速度升到1000℃,保温3h;煅烧完成后取出,粉碎、研磨、过筛,即得。
通过对上表中数据分析可以看出,石墨烯与硅复合后,显著地改善了纳米硅粉的循环性能。