一种石墨烯改性硅碳材料、制备方法及其应用技术

一种石墨烯改性硅碳材料、制备方法及其应用，所述制备方法，包括如下步骤：步骤1：将硅源和氧化石墨烯加入到含碳源溶液中，充分混合，得到前驱体悬浊液；步骤2：将所述前驱体悬浊液进行喷雾干燥，得到微米级前驱体颗粒；步骤3：将所述微米级前驱体颗粒进行碳化、还原，得到石墨烯改性硅碳材料。本发明专利技术利用喷雾干燥的方法制备微米级硅碳复合材料，利用导电性优异的石墨烯材料与硅、碳进行复合，获得了高倍率的硅碳复合材料。

A kind of graphene modified silicon carbon material, preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯改性硅碳材料、制备方法及其应用
本专利技术属于电池
，尤其涉及一种石墨烯改性硅碳材料、制备方法及其应用。
技术介绍
硅碳复合材料的组合和结构对其电化学性能有较大影响，硅碳复合材料结构的合理设计和产业化制备是确保硅基复合材料应用的关键，另外，倍率性能也是电极材料另一个重要标准，在快充需求日益增长的今天，优异的倍率性能会提升电池的安全性能和快充性能。倍率性能和电极材料结构有关，锂离子电池的实际应用对电极材料的振实密度有较高的要求。纳米材料比较低的振实会影响电池的能量密度，提高材料振实密度对电池性能有重要意义。喷雾干燥方法是工业上常用的造粒方法，可以通过调控制备工艺合成形貌和尺寸均一的颗粒，产量也满足工业化需求。本专利技术利用喷雾干燥的方法制备微米级硅碳复合材料，利用导电性优异的石墨烯材料与硅进行复合，获得了高倍率的硅碳复合材料。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种石墨烯改性硅碳材料、制备方法及其应用，以解决现有硅/石墨烯复合材料循环性能差的技术问题。为实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，提供一种石墨烯改性硅碳材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将硅源和氧化石墨烯加入到含碳源溶液中，充分混合，得到前驱体悬浊液；步骤2：将所述前驱体悬浊液进行喷雾干燥，得到微米级前驱体颗粒；步骤3：将所述微米级前驱体颗粒进行碳化、还原，得到石墨烯改性硅碳材料。作为优选，所述步骤1中，所述硅源、氧化石墨烯和碳源的质量比为(10-15)：(3-5)：(15-20)。作为优选，所述步骤1中，所述前驱体悬浊液中氧化石墨烯的浓度为3mg/ml-6mg/ml。作为优选，所述步骤1中，所述碳源包括蔗糖、柠檬酸、葡萄糖中的一种或多种；作为优选，所述步骤1中，所述硅源为纳米硅或者纳米一氧化硅。作为优选，所述步骤2中，所述喷雾干燥采用二流体喷雾干燥法，入口温度为180℃，出口温度为90℃，浆料压力为0.3mPa，压缩空气压力为0.2mpa-0.5mpa。作为优选，所述步骤3中，所述碳化、还原包括阶梯升温至碳化温度，碳化6小时-9小时；在还原温度下，利用还原气还原6小时-10小时。作为优选，所述步骤3中，所述阶梯升温速率为5℃/min；所述碳化温度为800℃；作为优选，所述步骤3中，所述还原温度为900℃。作为优选，所述步骤3中，所述还原气包括氢气与惰性气体的混合，其中氢气的体积分数为10％-18％；作为优选，所述惰性气体包括氙气或者氩气。作为本专利技术的另一个方面，还提供一种石墨烯改性硅碳材料，采用如上述的石墨烯改性硅碳材料的制备方法制备得到。作为本专利技术的再一个方面，还提供一种如上述的石墨烯改性硅碳材料在硅碳电池中的应用。本专利技术的石墨烯改性硅碳材料、制备方法及其应用具有以下优点：设计硅/碳/石墨烯的特殊结构，(1)硅表面的碳壳可以有效减小与电解液的表面接触；(2)硅表面碳壳和复合材料包覆着的石墨烯为硅/碳/石墨烯复合材料提供一个好的导电网络；改善了硅材料的倍率性能和循环性能；利用喷雾干燥的方法制备微米级复合材料，微米级复合材料相对于纳米级材料有很大的振实密度，提高了硅/碳/石墨烯复合材料(Si@C@RGO)的导电性和机械性能。附图说明图1为本专利技术实施例1-3和对比例1的微米级硅碳复合材料的制备流程对比图；图2为本专利技术实施例的氧化石墨烯原料、实施例1复合材料Si@C@RGO和对比例1复合材料Si@C的XRD图；图3为本专利技术实施例的纳米硅原料、实施例1复合材料Si@C@RGO和对比例1的复合材料Si@C的TGA图；图4为本专利技术实施例1的复合材料和对比例1的复合材料的SEM图，其中，(a)为Si@C@RGO前驱体；(b)为Si@C前驱体；(c)为Si@C@RGO(5μm)；(d)为Si@C@RGO(1μm)；(e)为Si@C(5μm)；(f)为Si@C(1μm)；图5为本专利技术实施例1的复合材料和对比例1的复合材料的SEM-EDS图，其中，(a)为Si@C@RGO的SEM图；(b)为Si的EDS图；(c)为C的EDS图；图6为本专利技术的实施例1的复合材料和对比例1的复合材料的TEM图，其中，(a)为Si@C(1μm)；(b)为Si@C(10nm)；(c)为Si@C@RGO(1μm)；(d)为Si@C@RGO(10nm)；图7为本专利技术实施例的纳米硅原料、实施例1复合材料和对比例1的复合材料的伏安循环曲线图，(a)为纳米硅；(b)为Si@C；(c)Si@C@RGO；图8为本专利技术实施例的纳米硅原料、实施例1复合材料Si@C@RGO和对比例1的复合材料Si@C的电化学性能曲线图；(a)是首次充放电曲线；(b)是循环性能曲线和库伦效率曲线；图9为本专利技术实施例1复合材料Si@C@RGO和对比例1的复合材料Si@C的倍率性能曲线图。具体实施方式为了更好地了解本专利技术的目的、技术方案和优点，下面结合附图，对本专利技术一种石墨烯改性硅碳材料、制备方法及其应用做进一步详细的描述。作为本专利技术的一个方面，提供一种石墨烯改性硅碳材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将硅源和氧化石墨烯加入到含碳源溶液中，充分混合，得到前驱体悬浊液；在本专利技术的实施例中，所述步骤1中，所述硅源、氧化石墨烯和碳源的质量比为(10-15)：(3-5)：(15-20)。在本专利技术的实施例中，所述步骤1中，所述前驱体悬浊液中氧化石墨烯的浓度为3mg/ml-6mg/ml。在本专利技术的实施例中，所述步骤1中，所述碳源包括蔗糖，但并不局限于此，还可选用柠檬酸或者葡萄糖。在本专利技术的实施例中，所述步骤1中，所述硅源为纳米硅或者纳米一氧化硅。步骤2：将所述前驱体悬浊液进行喷雾干燥，得到微米级前驱体颗粒；在本专利技术的实施例中，所述步骤2中，所述喷雾干燥采用二流体喷雾干燥法，入口温度为180℃，出口温度为90℃，浆料压力为0.3mPa，压缩空气压力为0.2mpa-0.5mpa。步骤3：将所述微米级前驱体颗粒进行碳化、还原，得到石墨烯改性硅碳材料。在本专利技术的实施例中，所述步骤3中，所述碳化、还原包括阶梯升温至碳化温度，碳化6小时-9小时；在还原温度下，利用还原气还原6小时-10小时。在本专利技术的实施例中，所述步骤3中，所述阶梯升温速率为5℃/min；所述碳化温度为800℃；在本专利技术的实施例中，所述步骤3中，所述还原温度为900℃。在本专利技术的实施例中，所述步骤3中，所述还原气包括氢气与惰性气体的混合，其中氢气的体积分数为10％-18％；在本专利技术的实施例中，所述惰性气体包括氙气或者氩气。作为本专利技术的另一个方面，还提供一种石墨烯改性硅碳材料，采用如上述的石墨烯改性硅碳材料的制备方法制备得到。作为本专利技术的再一个方面，还提供一种如上述的石墨烯改性硅碳材料在硅碳电池中的应用。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯改性硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：将硅源和氧化石墨烯加入到含碳源溶液中，充分混合，得到前驱体悬浊液；/n步骤2：将所述前驱体悬浊液进行喷雾干燥，得到微米级前驱体颗粒；/n步骤3：将所述微米级前驱体颗粒进行碳化、还原，得到石墨烯改性硅碳材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯改性硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将硅源和氧化石墨烯加入到含碳源溶液中，充分混合，得到前驱体悬浊液；
步骤2：将所述前驱体悬浊液进行喷雾干燥，得到微米级前驱体颗粒；
步骤3：将所述微米级前驱体颗粒进行碳化、还原，得到石墨烯改性硅碳材料。


2.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述硅源、氧化石墨烯和碳源的质量比为(10-15)：(3-5)：(15-20)。


3.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述前驱体悬浊液中氧化石墨烯的浓度为3mg/ml-6mg/ml。


4.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述碳源包括蔗糖、柠檬酸、葡萄糖中的一种或多种；
作为优选，所述步骤1中，所述硅源为纳米硅或者纳米一氧化硅。


5.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述喷雾干燥采用二...

【专利技术属性】
技术研发人员：白岩，游志江，关玉明，
申请(专利权)人：北方奥钛纳米技术有限公司，银隆新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13