【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及鋰電池，具體涉及一種三維結構石墨烯包覆納米硅的負極材料及其制備方法、鋰離子電池負極極片以及鋰離子電池。
技術介紹
1、鋰離子電池自問世以來就備受青睞。然而，隨著高性能電動汽車的發展和廣泛應用，目前的商業鋰離子電池已經不能滿足市場的需求，開發高容量的負極材料已經迫在眉睫。目前，傳統碳基負極和過渡金屬氧化物負極的鋰離子電池的能量密度已接近理論能量密度，學術界和工業界對高性能鋰離子電池的能量密度提出了新的期待與要求。而鋰離子電池的能量密度與電極材料的比容量密切相關，要想提升鋰離子電池的能量密度，必須要提高其負極材料的比容量。因為，與正極材料相比，負極材料有更大的容量提升空間。
2、硅材料被認為是石墨材料的絕佳替代品。但是，相對于嵌入石墨負極，硅在鋰離子嵌入和脫嵌過程中會引起極大的體積變化(>300％)。在電化學循環過程中，硅材料會反復產生較大的體積變化，這種體積變化不僅會引起硅的反復開裂和破碎，而且會引起硅材料和集流體的解體、斷裂和電絕緣。連續破碎還會造成固體電解質界面層(sei)的持續破壞和表面的破裂，致使活性材料持續與電解液接觸，導致電解液和鋰離子的迅速消耗。因此，硅負極的嚴重體積變化會產生不穩定的sei膜和導致sei膜的反復破碎，導致電池初始庫侖效率(ice)低，容量衰退快。
3、為緩解以上問題，一些先進的材料設計策略相繼被提出來。然而，這些先進材料的制備過程過于繁瑣，活性物質面載量和體積能量密度太低，無法滿足商業化的要求。另外，硅材料的初始庫侖效率非常低，會降低整個電池的實際能量密度
4、cn110048098a公開了一種氮摻雜石墨烯包覆納米硅復合材料的制備方法，包括以下步驟：1)將陽離子表面活性劑、納米硅分散在溶劑中，干燥，得到改性納米硅；2)將氧化石墨烯分散在溶劑中，再與改性納米硅混合，干燥，得到包覆物；3)將包覆物進行摻氮處理，得到氮摻雜石墨烯包覆納米硅復合材料。本專利技術所得的復合電材料，呈現高的充放電比容量、庫倫效率以及優異的循環穩定性。但是該復合材料的制備方法比較復雜，需要進行摻氮處理，才能實現其技術效果，而本申請采用的制備方法較簡單，不需要進行摻氮處理。
5、因此，亟需開發一種三維結構石墨烯包覆納米硅的負極材料及其制備方法、鋰離子電池負極極片以及鋰離子電池，在循環性能方面表現優異。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是為了克服現有技術存在的鋰電池負極材料中硅材料體積易膨脹和開裂且形成不均勻sei膜，導致鋰電池具有低的循環性能的問題，提供一種鋰離子電池負極材料及其制備方法、鋰離子電池負極極片以及鋰離子電池。
2、為了實現上述目的，本專利技術第一方面提供一種鋰離子電池負極材料，其中，所述負極材料包括改性納米硅和包覆在所述改性納米硅上的氧化石墨烯；
3、所述改性納米硅與氧化石墨烯的重量比為(10-1):1。
4、本專利技術第二方面提供一種鋰離子電池負極材料的制備方法，其中，所述制備方法包括以下步驟：
5、1)將表面改性劑、納米硅分散在緩沖溶液中，得到改性納米硅；
6、2)將含有上述改性納米硅的改性納米硅溶液與氧化石墨烯溶液混合，得到混合溶液a，經干燥得到負極材料；
7、其中，步驟2)中，所述混合溶液a的zeta電位為15-45mv；
8、所述干燥的過程包括：冷凍干燥和熱處理；所述冷凍干燥的條件包括：溫度為-30℃至-50℃，時間為24-48h。
9、本專利技術第三方面提供一種由上述制備方法制得的負極材料。
10、本專利技術第四方面提供一種鋰離子電池負極極片，所述鋰離子電池負極極片包括上述負極材料。
11、本專利技術第五方面提供一種鋰離子電池，所述鋰離子電池包括上述鋰離子電池負極極片。
12、通過上述技術方案，本專利技術提供的技術方案獲得以下有益的效果：
13、(1)本專利技術提供的負極材料包括改性納米硅和包覆在所述改性納米硅上的氧化石墨烯，帶正電荷的改性納米硅和帶負電荷的氧化石墨烯產生靜電自組裝，使得石墨烯充分包覆納米硅，進而能有效阻止納米硅的體積膨脹和開裂且形成不均勻sei膜，使得包含該負極材料的鋰離子電池具有改善的循環性能。
14、(2)本專利技術提供的負極材料的制備方法，通過冷凍干燥，使負極材料形成3d結構；通過熱處理，能夠去除負極材料中氧化石墨烯的含氧官能團且縮小氧化石墨烯層間距，使得石墨烯更充分地包覆納米硅，從而提高負極材料的循環穩定性。
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1.一種鋰離子電池負極材料，其特征在于，所述負極材料包括改性納米硅和包覆在所述改性納米硅上的氧化石墨烯；
2.根據權利要求1所述的負極材料，其中，所述改性納米硅與氧化石墨烯的重量比為(10-2):1；
3.根據權利要求1或2所述的負極材料，其中，所述負極材料的平均粒徑D50為100-500nm，優選為200-400nm。
4.一種鋰離子電池負極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的制備方法，其中，步驟1)中，所述納米硅、表面改性劑與緩沖溶液的質量體積比為1:(4-8):(100-300)，(mg:mg:mL)；
6.根據權利要求4或5所述的制備方法，其中，步驟2)中，所述氧化石墨烯溶液的濃度為2-5mg/mL；
7.根據權利要求4-6中任意一項所述的制備方法，其中，步驟2)中，所述冷凍干燥的條件包括：溫度為-35℃至-45℃，時間為36-48h；
8.由權利要求4-7中任意一項所述的制備方法制得的負極材料。
9.一種鋰離子電池負極極片，其特征在
10.一種鋰離子電池，其特征在于，所述鋰離子電池包括權利要求9所述的鋰離子電池負極極片。
...【技術特征摘要】
1.一種鋰離子電池負極材料，其特征在于，所述負極材料包括改性納米硅和包覆在所述改性納米硅上的氧化石墨烯；
2.根據權利要求1所述的負極材料，其中，所述改性納米硅與氧化石墨烯的重量比為(10-2):1；
3.根據權利要求1或2所述的負極材料，其中，所述負極材料的平均粒徑d50為100-500nm，優選為200-400nm。
4.一種鋰離子電池負極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的制備方法，其中，步驟1)中，所述納米硅、表面改性劑與緩沖溶液的質量體積比為1:(4-8):(100-300)，(m...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李寧，馮仁超，蘇岳鋒，吳鋒，馬思遠，陳來，黃擎，劉偲，陳勝，董宇，閆文剛，何繼壯，
申請(專利權)人：北京理工大學重慶創新中心，
類型：發明
國別省市：
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