一种硅基石墨烯及其制备方法和应用与流程

本发明属于锂离子电池负极材料，具体地，本发明涉及一种硅基石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着锂离子电池在电子产品和新能源电动汽车等领域的广泛应用，对具有高能量密度的锂离子电池需求日益增加，传统的石墨负极材料(372mah/g)已无法满足需要，因此，迫切需要探索新型高性能高容量的负极材料。

2、和传统石墨负极材料相比，硅基材料具有极高的理论比容量(单质硅可达3580mah/g)，且其脱锂电位合适(0.3-0.4v)，是极具潜力的负极材料。常见的硅负极材料包括纳米硅(si)、氧化亚硅(sio)，无定型硅合金等。且相比于二维石墨材料只能提供切面方向的嵌入/脱嵌路径，而硅可以提供各个方向，快充性能优异。然而，虽然硅的能量密度性能非常优异，但是在作为负极时，当锂嵌入硅形成合金时，体积变化可超过300％，在反复嵌入/脱嵌过程中会导致电极材料粉碎，最终失去有效电接触，导致电极失效。此外，硅基材料的导电性通常较低，锂离子在硅中的扩散速率也相对较低，不利于电子和锂离子的传输。因此，亟需开发一种综合性能优异的锂离子电池负极材料。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种硅基石墨烯及其制备方法和应用。

2、第一方面，本发明实施例提出了一种硅基石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)将石墨、硅粉、二氧化硅混合，得到第一混合料；

4、(2)利用流体剪切辅助超临界二氧化碳技术对所述第一混合料中的石墨进行插层、剥离，使所述第一混合料中的石墨剥离成石墨烯，形成石墨烯与硅粉和二氧化硅的第二混合料；

5、(3)对所述第二混合料进行高温烧结，得到球形石墨烯包裹氧化亚硅的硅基石墨烯。

6、本发明实施例通过以石墨、硅粉和二氧化硅为反应原料，利用流体剪切辅助超临界二氧化碳技术，物理方式构建了球形石墨烯包裹硅粉和二氧化硅的结构，并通过进一步的高温烧结获得球形石墨烯包裹氧化亚硅的硅基石墨烯，该物理构建方式无需采用其他化学试剂，低耗环保，且不会造成石墨烯缺陷，影响导电性；制得的硅基石墨烯导电性高，利于快充。

7、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述石墨的质量含量占所述第一混合料的10～70％，优选为10～50％；

8、和/或，所述硅粉与所述二氧化硅的质量比为1:(0.1～1)，优选为1:1。

9、在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述流体剪切的温度为40～65℃，剪切压力为8～11.5mpa，剪切速度为1500～2500r/min，剪切时间为10～60min。

10、在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述高温烧结的温度为1000～2000℃，优选为1000～1200℃；烧结时间为0.5～3h，优选为1～2h；

11、进一步地，所述高温烧结是在惰性气体保护氛围下进行的，所述惰性气体包括氮气、氩气、氦气中的至少一种。

12、第二方面，本发明实施例还提出了一种硅基石墨烯，所述硅基石墨烯由如第一方面所述的制备方法制得。

13、在一些实施例中，所述硅基石墨烯包括石墨烯和氧化亚硅；其中，所述石墨烯呈三维球形结构，且所述石墨烯包裹着所述氧化亚硅。

14、本发明实施例中的硅基石墨烯中，三维球形结构的石墨烯包裹着氧化亚硅，为氧化亚硅的体积膨胀提供缓冲空间，同时还可以提供三维导电网络，防止出现结构破裂导致接触失效，从而失去电接触导致电极活性材料失效；而氧化亚硅具有各向同性，易于快充，且结合球形石墨烯导电网络架构，可以进一步提高其快充性能。

15、第三方面，本发明实施例还提出了一种如第二方面所述的硅基石墨烯在锂离子电池中的应用，其中，所述硅基石墨烯作为锂离子电池的负极材料。

16、以本发明实施例的硅基石墨烯为负极材料制备锂离子电池，所得锂离子电池具有优异的稳定性和快充性能。

17、本发明实施例所具有的优点和有益效果为：

18、(1)本发明实施例硅基石墨烯的制备过程中，无需液体溶剂和添加其他化学试剂，低耗环保，易于推广；且基于超临界流体将石墨通过物理方式剥离成石墨烯，石墨烯缺陷较少，导电性高，利于快充。

19、(2)本发明实施例构建了三维球形石墨烯包裹氧化亚硅这种特殊结构，三维球形结构可以为氧化亚硅的体积膨胀提供缓冲空间，同时还提供了三维导电网络，防止出现结构破裂导致接触失效，从而失去电接触导致电极活性材料失效。

20、(3)本发明实施例硅基石墨烯中，氧化亚硅具有各向同性，有利于提高材料的快充性能，且结合球形石墨烯导电网络架构，使得快充性能进一步提升。

技术特征：

1.一种硅基石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的硅基石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述石墨的质量含量占所述第一混合料的10～70％；

3.根据权利要求2所述的硅基石墨烯的制备方法，其特征在于，所述石墨的质量含量占所述第一混合料的10～50％；

4.根据权利要求1所述的硅基石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述流体剪切的温度为40～65℃，剪切压力为8～11.5mpa，剪切速度为1500～2500r/min，剪切时间为10～60min。

5.根据权利要求1所述的硅基石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述高温烧结的温度为1000～2000℃，烧结时间为0.5～3h。

6.根据权利要求5所述的硅基石墨烯的制备方法，其特征在于，所述高温烧结的温度为1000～1200℃，烧结时间为1～2h。

7.根据权利要求5或6所述的硅基石墨烯的制备方法，其特征在于，所述高温烧结是在惰性气体保护氛围下进行的，所述惰性气体包括氮气、氩气、氦气中的至少一种。

8.一种硅基石墨烯，其特征在于，所述硅基石墨烯由权利要求1-7任一项所述的制备方法制得。

9.根据权利要求8所述的硅基石墨烯，其特征在于，所述硅基石墨烯包括石墨烯和氧化亚硅；其中，所述石墨烯呈三维球形结构，且所述石墨烯包裹着所述氧化亚硅。

10.一种如权利要求8或9所述的硅基石墨烯在锂离子电池中的应用，其特征在于，所述硅基石墨烯作为锂离子电池的负极材料。

技术总结本发明提出一种硅基石墨烯及其制备方法和应用，该硅基石墨烯的制备方法包括如下步骤：(1)将石墨、硅粉、二氧化硅混合，得到第一混合料；(2)利用流体剪切辅助超临界二氧化碳技术对第一混合料中的石墨进行插层、剥离，使第一混合料中的石墨剥离成石墨烯，形成石墨烯与硅粉和二氧化硅的第二混合料；(3)对第二混合料进行高温烧结，得到球形石墨烯包裹氧化亚硅的硅基石墨烯。本发明通过物理方式构建了三维球形石墨烯包裹氧化亚硅这种特殊结构，氧化亚硅具有各向同性，有利于提高材料的快充性能，三维球形结构可以为氧化亚硅的体积膨胀提供缓冲空间，同时还提供了三维导电网络架构，使得快充性能进一步提升。技术研发人员：孙周婷,刘明义,徐若晨,曹曦,曹传钊,雷浩东,王宁,白盼星,段召容,成前,平小凡,杨超然,李遥宇,张江涛,王佳运,贾志全受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29