一種石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法及其應用技術

本發明專利技術公開了一種石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法，涉及涉及離子儲能材料技術領域。石墨烯薄膜的制備：以天然鱗片石墨為原料，采用電化學非氧化層離的方法制備多層石墨烯漿體，并在基板上經刮涂、干燥后，依次進行炭化、石墨化，即得石墨烯薄膜；石墨烯薄膜/硅復合材料的制備：以制備的石墨烯薄膜作為基底，采用磁控濺射的方法依次在基底材料上交替生長粘結材料和硅材料，并使硅材料處于粘結材料的層狀包裹結構中，即得石墨烯薄膜/硅復合材料。本發明專利技術以天然鱗片石墨為原料，采用磁控濺射技術，將硅、鎳材料與高導電石墨烯薄膜基底材料結合，制備硅基復合材料。制備硅基復合材料。制備硅基復合材料。

【技術實現步驟摘要】
一種石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法及其應用


[0001]本專利技術涉及離子儲能材料
，具體涉及一種石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法及其應用。

技術介紹

[0002]商用鋰離子電池負極材料一般是目前石墨材料依然是負極材料領域的主力軍。石墨材料的材料種類較多，包括天然鱗片石墨、人工石墨和纖維狀的炭材料(具有石墨結構)等。非可再生的天然鱗片石墨具有天然的石墨結構程度，經過高溫處理，可直接作為鋰離子電池負極材料。人工石墨一般以天然鱗片石墨為骨料，結合其它材料經熱壓工藝制備而成。經過長時間的循環，天然鱗片石墨、人工石墨的儲鋰容量一般維持在320mA h/g；經過改進處理過的石墨材料的儲鋰容量能夠在短期內，一定程度上接近理論容量水平(372mA h/g；LiC6)。
[0003]隨著科技的發展，常規石墨負極材料所能提供的比容量已經不能滿足動力電源、電子產品等的需求，急需具有高比容量的負極材料的出現。負極材料中，硅、鍺、錫等材料也具有較高的理論儲鋰容量。其中硅材料具有極高的首次嵌鋰比容量，理論計算數值高達4200mA h/g，在室溫下仍可達3500mA h/g，這能很好地滿足電子產品等對離子電池的要求。但是，在合金化-去合金化過程中，硅材料發生劇烈的體積變化，導致硅負極材料結構的破壞，以及電接觸的失敗，從而降低其循環壽命和比容量，且硅基等其他新型鋰離子電池負極材料，多數采用苛刻的、高難度的納米技術制備，產量較低，尚未有企業實現年產百噸級的生產規模。
[0004]面對消費電子設備快速更新換代，以及電動汽車對延長續航里程的要求，迫切需要大幅度提升電池的能量密度，因此亟需開發新的高性能電池。開發高能量密度、高功率密度和長使用壽命的鋰離子電池對發展便攜式電子設備及電動汽車具有重要應用意義。

技術實現思路

[0005]本專利技術的目的是為了解決上述
技術介紹
中存在的不足，提供一種石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法及其應用。本專利技術首先采用天然鱗片石墨為原料，采用電化學非氧化層離的方法制備多層石墨烯漿體，并經刮涂、干燥、炭化、石墨化工藝處理而制得石墨烯薄膜。采用磁控濺射技術，將硅、鎳材料與高導電石墨烯薄膜基底材料結合，制備硅基復合材料。該硅基復合材料具有優異的導電性、所設計的結構能夠緩解硅材料體積變化效應、能夠有效的存儲/釋放鋰離子，作為鋰離子負極材料，可用于制備高性能鋰離子電池。本專利技術提供的制備方法沒有苛刻的技術要求，適合大眾企業生產，制備過程中無毒性氣體的產生，滿足綠色、環保、可持續發展的要求。
[0006]本專利技術第一個目的提供一種石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法，包括以下步驟：
[0007]石墨烯薄膜的制備：以天然鱗片石墨為原料，采用電化學非氧化層離的方法制備多層石墨烯漿體，并在基板上經刮涂、干燥后，依次進行炭化、石墨化，即得石墨烯薄膜；
[0008]石墨烯薄膜/硅復合材料的制備：
[0009]以制備的石墨烯薄膜作為基底，采用磁控濺射的方法依次在基底材料上交替生長粘結材料和硅材料，并使硅材料處于粘結材料的層狀包裹結構中，即得石墨烯薄膜/硅復合材料；所述粘結材料為鎳、鈷、鈦中的一種。
[0010]優選的，磁控濺射選用的功率為10～20W，工作氣體壓強為1.4～4Pa；其中，硅材料濺射時間10～20min，粘結材料濺射時間5～10min。
[0011]優選的，在基底材料上各自交替生長40～60層的粘結材料和硅材料。
[0012]優選的，采用磁控濺射的方法依次在基底材料上交替生長的粘結材料和硅材料的總厚度為50nm。
[0013]優選的，所述石墨烯漿體具體按照如下步驟制得：
[0014]將天然鱗片石墨經超聲、水洗、干燥處理；隨后將處理后的天然鱗片石墨作為負極，石墨棒為正極，水系電解液，電源電壓為10-25V，經電解30d，得到石墨烯漿體。
[0015]更優選的，炭化過程是在氮氣或惰性氣體保護下進行，升溫速率為3～10K/min；溫度為1000～1773K，恒溫0.5h。
[0016]更優選的，石墨化過程是在氮氣或惰性氣體保護下進行，溫度為2000～3273K，并恒溫0.5h。
[0017]更優選的，所述石墨烯薄膜的厚度為≤30μm。
[0018]本專利技術第二個目的提供一種上述所述的石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法制取的石墨烯薄膜/硅復合材料。
[0019]本專利技術第三個目的提供一種上述所述的石墨烯薄膜/硅復合材料在離子儲能中的應用。
[0020]與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：
[0021]本專利技術以天然鱗片石墨為原料，采用電化學非氧化層離的方法制備多層石墨烯漿體，并經刮涂、干燥、炭化、石墨化等工藝處理而制得石墨烯薄膜。通過炭化、石墨化工藝主要是去掉非炭雜原子，同時去掉含氧官能團；同時優化碳原子排列的有序度。該薄膜具有良好的導電性、導熱性，以及耐酸耐堿耐腐蝕的特性。采用磁控濺射技術，將硅、鎳材料與高導電石墨烯薄膜基底材料結合，制備硅基復合材料。
[0022]本專利技術主要通過粘結材料來緩解硅材料在嵌鋰-脫鋰化學反應中的體積劇烈變化，使得石墨烯薄膜/硅復合材料具有良好的儲鋰性能和循環壽命穩定性，可作為高性能鋰離子電池負極材料制備高容量鋰離子電池。
[0023]本專利技術選用的硅材料來源廣泛，在地殼中的含量豐富，原材料成本較低，制備方法相對成熟，有利于實現產品的低成本化生產。
附圖說明
[0024]圖1為實施例3制備的石墨烯/硅復合材料SEM照片；
[0025]圖2為實施例3制備的石墨烯/硅復合材料的電化學性能曲線圖。
具體實施方式
[0026]為了使本領域技術人員更好地理解本專利技術的技術方案能予以實施，下面結合具體
實施例和附圖對本專利技術作進一步說明，但所舉實施例不作為對本專利技術的限定。
[0027]需要說明的是，下述各實施例中所述實驗方法如無特殊說明，均為常規方法；采用的試劑和材料，如無特殊說明，均可在市場上購買得到。
[0028]實施例1
[0029]一種石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法，包括以下步驟：
[0030]石墨烯薄膜的制備：
[0031]天然鱗片石墨為原料，采用電化學非氧化層離的方法制備多層石墨烯的漿體，具體的將天然鱗片石墨，經超聲、水洗、干燥處理；隨后將處理后的天然鱗片石墨作為負極，石墨棒為正極，水系電解液，電源電壓為20V，經電解約30d，得到石墨烯漿體；其中，石墨烯的質量含量在70～85％，若電化學工作時間更長，則石墨烯的含量將會更高；
[0032]將制得的石墨烯漿體在玻璃基板上經刮涂、干燥后形成漿體薄膜，備用，將上述的干燥的漿體薄膜經過炭化、石墨化等工藝處理而制得石墨烯薄膜；該薄膜具有良好的導電性、導熱性，以及耐酸耐堿耐腐蝕的特性；其中，石墨烯薄膜的厚度為≤30μm。
[0033]炭化工藝：在高純氮氣保護下進行，升溫速率為為3K/min，預設溫度為1000K，并恒溫0.5h。
[0034]石墨本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：石墨烯薄膜的制備：以天然鱗片石墨為原料，采用電化學非氧化層離的方法制備多層石墨烯漿體，并在基板上經刮涂、干燥后，依次進行炭化、石墨化，即得石墨烯薄膜；石墨烯薄膜/硅復合材料的制備：以制備的石墨烯薄膜作為基底，采用磁控濺射的方法依次在基底材料上交替生長粘結材料和硅材料，并使硅材料處于粘結材料的層狀包裹結構中，即得石墨烯薄膜/硅復合材料；所述粘結材料為鎳、鈷、鈦中的一種。2.根據權利要求1所述的石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法，其特征在于，磁控濺射選用的功率為10～20W，工作氣體壓強為1.4～1.6Pa；其中，硅材料濺射時間10～20min，粘結材料濺射時間5～10min。3.根據權利要求2所述的石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法，其特征在于，在基底材料上各自交替生長40～60層的粘結材料和硅材料。4.根據權利要求2所述的石墨烯薄膜/硅復合材料的制備方法，其特征在于，在基底材料上交替生長的所述粘結材料和硅材料...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王立勇，
申請(專利權)人：王立勇，
類型：發明
國別省市：