一种硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于锂离子电池制造技术领域，具体涉及一种锂离子电池用硅掺杂石墨烯负极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨是目前商用锂离子电池的主要负极材料，在充电过程中，锂离子嵌入石墨中形成石墨与锂的层间化合物。石墨具有良好的充放电电压平台，理论容量为372mAh/g，同时，由于锂离子嵌入石墨层间的时间较长，因而石墨电极的充放电速度较慢。近年来，随着移动电子设备对电源续航能力以及充电时间的要求越来越高，传统的石墨电极不能满足高性能锂离子电池的要求。在此背景下，石墨烯由于高的导电性以及高比表面积等性质成为锂电池负极材料的热点材料。与石墨相比，石墨烯原子层的两侧可以分别吸附锂离子，因此，单层石墨烯理论容量可以达到石墨的两倍，为744mAh/g。另外，由于石墨烯片层之间孔隙率的增加，锂离子的吸附和脱附过程可以非常快速。
[0003]对于负极应用来说，硅材料理论容量可以达到4200mAh/g，比目前商用的碳负极材料高一个数量级。但硅材料作为锂离子电池的负极材料存在一个致命的缺陷，就是在锂离子的吸附和脱附过程中，体积变化大，达到300%，从而使硅负极碎裂，导致充放电循环性能极差，难以实现应用。
[0004]目前，硅与石墨烯的复合材料常常被用来制作高容量的石墨烯负极材料，采用的技术基本都是娃纳米线或者纳米颗粒表面包覆石墨稀或者其他碳材料来抑制娃材料在充放电过程中的碎裂。但这些方法的主要问题是硅在负极材料中仍然以小颗粒硅的形式存在，充放电过程就难以避免存在体积变化，长期充放电性能仍然是关键问题。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术存在的上述问题，本发明通过一步反应法获得硅掺杂石墨烯作为锂离子电池的负极材料，硅以单个原子的形态存在于石墨烯的晶格结构中，避免了充放电过程中的体积变化，同时充分结合硅比容量高以及石墨烯高导电性、高比表面积的优点，获得了容量高、充放电速度快的负极材料。
[0006]本发明采取以下技术方案:
硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其按如下步骤进行:
1)将石墨烯粉末和硅源粉末以重量比例1:10-1000:1的比例混合均匀；
2)将步骤I)得到的混合物放入反应炉中加热至1000°C至1600°C，并保持通入保护气体，达到设定温度后保温I分钟至120分钟；
3)反应时间达到设定时间后随炉冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
[0007]优选的，石墨烯粉末是单层或者多层石墨烯粉末，层数为I?12层，粉末片径为0.05?40umo
[0008]优选的，硅源为硅粉或氧化硅粉，粉末粒径为0.1?10um。
[0009]优选的，保护气体可以是氩气、氮气、氢气、氦气、氖气中的一种或者多种的混合气体。
[0010]优选的，步骤二，加热温度为1000°c-1600°c。
[0011]优选的，步骤二中，保温时间为I分钟-120分钟。
[0012]本发明硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，负极材料由石墨烯与硅掺杂源在一定温度下一步反应得到。
[0013]本发明方法工艺简单，得到的硅掺杂石墨烯负极材料充分结合了硅材料较高的理论容量以及石墨稀尚导电性、尚比表面积的优势，可以提尚裡尚子电子负极材料的容量达到 I OOOmAh/g 以上。
【附图说明】
[0014]图1为硅掺杂石墨烯负极材料循环性能曲线。
【具体实施方式】
[0015]以下对本发明优选实施例作详细说明。
[0016]实施例1:
1)将原子层数为1-5层的石墨烯粉末(粉末片径为0.5um)和硅粉末(粉末粒径为1um)以重量比1000:1的比例球磨混合均匀；
2)将步骤I)得到的混合物放入管式反应炉中加热至100tC，并保持通入保护气体氩气，反应30分钟；
3)反应时间达到设定时间后随炉冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
[0017]将得到的负极材料进行容量测试，结果如附图1所示，初始容量达到1680mAh/g，循环充放电50次以后，所得负极材料容量仍然保持在1500mAh/g以上。
[0018]实施例2:
1)将原子层数为10层的石墨烯粉末(粉末片径为1um)和氧化硅粉末(粉末粒径为9um)以重量比1:10的比例球磨混合均匀；
2)将步骤I)得到的混合物放入箱式反应炉中加热至1200°C，并保持通入保护气体氮气，反应120分钟；
3)反应时间达到设定时间后直接将产物取出并冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
[0019]实施例3:
1)将单层石墨烯粉末(粉末片径为30um)和氧化硅粉末(粉末粒径为2um)以重量比例1:1的比例搅拌混合均匀；
2)将步骤I)得到的混合物放入箱式反应炉中加热至1600°C，并保持通入保护气体氢气，反应I分钟；
3)反应时间达到设定时间后随炉冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
[0020]实施例4:
1)将原子层数为8层的石墨烯粉末(粉末片径为40um)和氧化硅粉末(粉末粒径为6um)以重量比100:1的比例球磨混合均匀；
2)将步骤I)得到的混合物放入箱式反应炉中加热至1500°C，并保持通入保护气体氦气，反应70分钟；
3)反应时间达到设定时间后直接将产物取出并冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
[0021]实施例5:
1)将原子层数为10层的石墨烯粉末(粉末片径为25um)和氧化硅粉末(粉末粒径为
0.2um)以重量比500:1的比例球磨混合均勾；
2)将步骤I)得到的混合物放入箱式反应炉中加热至1400°C，并保持通入保护气体氖气，反应90分钟；
3)反应时间达到设定时间后直接将产物取出并冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
[0022]实施例6:
1)将原子层数为12层的石墨烯粉末(粉末片径为5um)和氧化硅粉末(粉末粒径为Sum)以重量比800:1的比例球磨混合均匀；
2)将步骤I)得到的混合物放入箱式反应炉中加热至1300°C，并保持通入保护气体氮气和氦气的混合气体，反应10分钟；
3)反应时间达到设定时间后直接将产物取出并冷却至室温，得到硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。
[0023]本领域的技术人员应认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是按如下步骤进行: 一、将石墨烯粉末和硅源粉末以1:10-1000:1的重量比例混合均匀； 二、将步骤一得到的混合物放入反应炉中加热至1000°c至1600°C，并保持通入保护气体，达到设定温度后保温I分钟至120分钟； 三、冷却得到硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。2.根据权利要求1所述的硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于:步骤一，所述的石墨烯粉末是单层石墨烯粉末。3.根据权利要求2所述的硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于:所述的石墨烯粉末是多层石墨烯粉末，层数为2?12层，粉末片径为0.05?40um。4.根据权利要求1-3任一项所述的硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于:步骤一，所述的娃源粉末选用娃粉或氧化娃粉，粉末粒径为0.1?10um。5.根据权利要求1-3任一项所述的硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于:步骤一，石墨烯粉末和硅源粉末的重量比例为10: l-100:lo6.根据权利要求1所述的硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于:步骤二，所述的保护气体选用氩气、氮气、氢气、氦气、氖气中的一种或多种的混合气体。7.根据权利要求1所述的硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于:步骤二，加热温度为1000°C-1600 °C。8.根据权利要求1或6或7所述的硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于:步骤二中，保温时间为I分钟-120分钟。
【专利摘要】本发明公开了一种硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法：一、将石墨烯粉末和硅源粉末以1:10-1000:1的重量比例混合均匀；二、将步骤一得到的混合物放入反应炉中加热至1000℃至1600℃，并保持通入保护气体，达到设定温度后保温1分钟至120分钟；三、冷却得到硅掺杂石墨烯锂离子电池负极材料。本发明方法工艺简单，得到的硅掺杂石墨烯负极材料充分结合了硅材料较高的理论容量以及石墨烯高导电性、高比表面积的优势，可以提高锂离子电子负极材料的容量达到1000mAh/g以上。
【IPC分类】H01M10/0525, H01M4/36, H01M4/583
【公开号】CN105655560
【申请号】
【发明人】汪训国
【申请人】浙江极力动力新能源有限公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年1月22日