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      一種含硅的石墨烯復合材料及其制備方法和在柔性鋰電池中的應(yīng)用與流程

      文檔序號:12275698閱讀:來源:國知局

      技術(shù)特征:

      1.一種含硅的石墨烯納米/微米纖維束復合材料,其中硅基復合材料為硅粉、SiOx中的一種或兩種與碳材料、金屬元素中的一種或多種相復合;石墨烯占整個含硅石墨烯復合材料質(zhì)量的20%-90%,優(yōu)選為30%-60%;硅基材料占整個復合材料質(zhì)量的10%-80%,優(yōu)選為40%-70%;纖維束復合材料的寬度10μm-10mm、厚度1-50μm;

      進一步地,硅基復合材料的尺寸為50nm-300nm,優(yōu)選為100nm-200nm;纖維束中的石墨烯纖維聚集成束狀結(jié)構(gòu),纖維束呈螺旋或類似彈簧的結(jié)構(gòu);進一步地,所述石墨烯纖維的長度至少為100μm、500μm、1000μm、10mm、10cm,纖維直徑為1nm-1000μm,優(yōu)選100nm-200μm,進一步優(yōu)選300nm-1000nm。

      優(yōu)選地,硅基復合材料包含硅粉、SiOx粉、無定形碳、石墨化碳、金屬粉其中的一種或幾種復合;其中硅粉的粒徑為100nm-10μm,優(yōu)選為200nm-2μm;SiOx粉的粒徑為200nm-10μm,優(yōu)選為500nm-5μm,0.6≤x≤1.3,優(yōu)選為0.8≤x≤1.1;無定形碳來自分散劑的裂解,含量為1%-20%,優(yōu)選為3%-10%;石墨化碳選自包含但不僅限于下述物質(zhì)的中的一種或多種:鱗片石墨、碳納米管、Super P、科琴黑,含量為1%-40%,優(yōu)選為10%-30%;金屬粉選自包含但不僅限于下述物質(zhì)的中的一種或多種:鋁、鈦、錳、釩、鋯、鎂、鋅或其組合,含量為0.1%-5%,優(yōu)選為0.5%-2%;還優(yōu)選,所述硅基復合材料由硅粉、SiOx、鱗片石墨、鋁粉、聚乙烯吡咯烷酮制備得到,最優(yōu)選,硅粉與SiOx的比為1:1-1.5。

      2.權(quán)利要求1所述的含硅的石墨烯納米/微米纖維束石墨烯復合材料的制備方法,其制備方法如下:

      1)利用改性的Hummers法制備一定濃度氧化石墨烯溶液;

      2)將硅基復合材料研磨破碎,并均勻混合,得到納米尺寸的硅基復合材料,并在惰性氣氛下燒結(jié);

      3)將步驟1)和2)得到的材料超聲攪拌混合,得到分散均勻的懸浮液,并進行真空脫泡處理;

      4)配置一定濃度的凝固浴,利用濕法紡絲工藝將步驟3)的懸浮液制成含硅的石墨烯復合材料;

      5)將步驟4)得到的含硅的石墨烯復合材料在惰性氣氛下燒結(jié)。

      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于步驟1)中制備氧化石墨烯選用的石墨選自下述物質(zhì)的一種:膨脹石墨、鱗片石墨、球形化石墨、Super P、科琴黑,優(yōu)選為膨脹石墨、鱗片石墨;石墨在濃硫酸、高錳酸鉀氧化之前,先超聲剝離,超聲時間為0.5-3h;氧化氧化石墨烯的濃度為2-10g/L,優(yōu)選為4-8g/L。

      改性Hummers法具體步驟如下:

      (1)在反應(yīng)瓶中加入500-1000mL濃硫酸,10-20g硝酸鈉,80-120g高錳酸鉀,10-20g可膨脹石墨,混合均勻后,在0-4℃下放置24h。

      (2)上述溶液在35℃下攪拌30-50min,逐滴滴加1000-2000mL去離子水后,在98℃下保溫反應(yīng)15-30min。加入1000-2000mL去離子水后逐滴滴加30%的雙氧水直至無氣泡產(chǎn)生,得到金黃色懸浮液。

      (3)上述混合溶液用5%鹽酸和去離子水反復洗滌除去多余的雜質(zhì)離子,直至pH接近6-7,后50℃下干燥得到氧化石墨。

      (4)取氧化石墨粉末溶于去離子水,超聲處理小時,得到均勻的氧化石墨烯溶液。

      4.根據(jù)權(quán)利要求2-3任一項所述的方法,其特征在于步驟2)中硅基復合材料包含硅粉、SiOx粉、無定形碳、石墨化碳、金屬粉其中的一種或幾種復合;其中硅粉的粒徑為100nm-10μm,優(yōu)選為200nm-2μm;SiOx粉的粒徑為200nm-10μm,優(yōu)選為500nm-5μm,0.6≤x≤1.3,優(yōu)選為0.8≤x≤1.1;無定形碳來自分散劑的裂解,含量為1%-20%,優(yōu)選為3%-10%,研磨時任選加入的分散劑選自包含但不僅限于下述物質(zhì)的中的一種或多種:淀粉、檸檬酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、蔗糖、葡萄糖、酚醛樹脂、聚丙烯腈、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉,優(yōu)選為葡萄糖、酚醛樹脂、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、聚乙烯吡咯烷酮中的一種或幾種組合,石墨化碳選自包含但不僅限于下述物質(zhì)的中的一種或多種:鱗片石墨、碳納米管、Super P、科琴黑,含量為1%-40%,優(yōu)選為10%-30%;金屬粉選自包含但不僅限于下述物質(zhì)的中的一種或多種:鋁、鈦、錳、釩、鋯、鎂、鋅或其組合,含量為0.1%-5%,優(yōu)選為0.5%-2%;研磨設(shè)備為球磨機、砂磨機;硅基復合材料的尺寸為50nm-300nm,優(yōu)選為100nm-200nm。所述惰性氣氛由下述至少一種氣體提供:氮氣、氬氣、氦氣,所述燒結(jié)溫度為500-1200℃,優(yōu)選為600-900℃,升溫速度為1-15℃/min,優(yōu)選為5-10℃/min,燒結(jié)時間為1-15h,優(yōu)選為2-5h;燒結(jié)設(shè)備為氣氛箱式爐、回轉(zhuǎn)爐、管式爐。

      5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項所述的方法,其特征在于步驟3)中脫泡方式為真空脫泡,超聲輔助攪拌時間為1-6h,優(yōu)選為2-4h,攪拌機轉(zhuǎn)速為200-800r/min,優(yōu)選為400-600r/min。

      6.根據(jù)權(quán)利要求2-5任一項所述的方法,其特征在于步驟4)中凝固浴為甲醇溶液、氯化鉀溶液、殼聚糖溶液、氯化鈣溶液、氫氧化鈉溶液,優(yōu)選為殼聚糖溶液、氯化鉀溶液;蠕動泵速度為2-8L/h,凝固浴轉(zhuǎn)速為10-50r/min;含硅的石墨烯復合材料的寬度10μm-10mm、厚度1-50μm。

      7.根據(jù)權(quán)利要求2-6任一項所述的方法,其特征在于步驟5)中所述惰性氣氛由下述至少一種氣體提供:氮氣、氬氣、氦氣,所述燒結(jié)溫度為400-800℃,優(yōu)選為500-700℃,升溫速度為1-15℃/min,優(yōu)選為5-10℃/min,燒結(jié)時間為1-15h,優(yōu)選為2-5h;燒結(jié)設(shè)備為氣氛箱式爐、回轉(zhuǎn)爐、管式爐。

      8.包含根據(jù)權(quán)利要求1所述的或權(quán)利要求2-7任一項所述制備方法得到的含硅的石墨烯納米/微米纖維束復合材料的負極材料,其特征在于將含硅的石墨烯復合材料直接壓在銅箔或泡沫鎳集流體上,與金屬鋰、隔膜、有機電解液組裝成鋰離子電池,所述有機電解液為碳酸酯電解液,濃度為0.1-2M,優(yōu)選為1M;所述碳酸酯電解液中,溶劑選自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯中的至少一種,優(yōu)選為碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯的混合溶劑,溶質(zhì)為六氟磷酸鋰;隔膜為Celgard 2500隔膜或whatman玻璃纖維隔膜。

      9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含硅的石墨烯納米/微米纖維束復合材料作為鋰離子電池柔性負極材料中的應(yīng)用。

      10.權(quán)利要求2-7所述制備方法得到含硅的石墨烯納米/微米纖維束復合材料作為鋰離子電池柔性負極材料的應(yīng)用。

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