一种硅/石墨纳米复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硅/石墨纳米复合材料及其制备方法和应用，属于储能技术领域。所述硅/石墨纳米复合材料由废旧电池中回收的石墨与硅粉复合得到，复合方式为等离子体球磨研磨混合。本发明专利技术不需要复杂的制备条件和材料，只需要提供一台等离子体球磨的设备，以使硅材料和回收的石墨能够进行研磨混合，且制备过程不涉及高温高压反应，符合安全标准，制备的硅/石墨纳米复合材料，在充放电过程中蓬松结构的石墨能够缓冲硅的体积变化，具有提高首圈库伦效率、电化学性能和安全性等优点，能够工业化应用，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种硅/石墨纳米复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及储能
，特别涉及一种硅/石墨纳米复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有能量密度大、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、工作温度范围宽等优点，被广泛应用于电子产品、新能源汽车、航空航天等各个领域。目前使用广泛的锂离子负极材料包括碳基负极材料、硅基材料、新型合金等负极材料。传统硅基材料存在导电性差、体积变化大等缺点，但其具有理论比容量高(4200mAh/g)、储量丰富等优点。将纳米硅基材料与废旧电池中回收的石墨制备复合纳米电极材料，能够提高纳米硅基材料的电导率，并且回收得到的石墨表面含有锂层能够减少电池的预锂化过程从而提高电池的首圈库伦效率、容量和能量密度，此外，碳基材料本身的蓬松结构能够有效缓冲硅基材料的体积变化，进一步提高电池的循环稳定性和安全性。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种硅/石墨纳米复合材料及其制备方法和应用。将废旧电池中回收的石墨(表面含有石墨与锂形成的SEI膜，相当于已经完成预锂化)与商业化硅粉通过等离子体球磨技术混合，应用在锂离子电池负极，在充放电过程中能够有效地缓解硅的体积膨胀，提高首圈库伦效率、电化学性能和安全性。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0005]本专利技术技术方案之一：提供一种硅/石墨纳米复合材料，由废旧电池中回收的石墨与硅粉复合得到。
[0006]本专利技术利用回收废旧电池中的石墨为原料，该石墨材料表面含有SEI膜，当以其为原料制备锂离子电池负极材料时，回收石墨中的SEI膜能降低制备负极重新形成SEI膜的量，且能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，因而大大提高了电极的首圈库仑效率、循环性能和使用寿命。同时，回收石墨中的SEI膜与石墨层粘接良好，富有弹性，可以用来对抗富于变化的电化学环境和易胀的活性材料(如硅粉)。
[0007]优选地，所述废旧电池包括磷酸铁锂电池或三元电池。
[0008]优选地，所述硅粉与所述废旧电池中回收的石墨的质量比为(5
‑
20):(80
‑
95)。
[0009]优选地，所述硅粉纯度大于99.9％，粒径为30
‑
50nm，比表面积为30
‑
50m2/g。
[0010]本专利技术技术方案之二：提供一种上述硅/石墨纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：将废旧电池中回收的石墨与硅粉通过等离子体球磨研磨混合，制得硅/石墨纳米复合材料。
[0011]优选地，所述等离子体球磨的球料质量比为30
‑
70:1，球磨转速为900
‑
1500rpm，放电频率为7
‑
12kHz，球磨时间为5
‑
15h。
[0012]本专利技术技术方案之三：一种上述硅/石墨纳米复合材料在制备锂离子电池中的应用。
[0013]本专利技术的有益技术效果如下：
[0014](1)简单易行，本专利技术不需要复杂的制备条件和材料，只需要提供一台等离子体球磨的设备，以使硅材料和回收的石墨能够进行研磨混合。
[0015](2)绿色环保，本专利技术不会产生污染性及有毒气体；并且对废旧电池中的石墨进行回收，可循环利用资源，符合环保标准。
[0016](3)安全可控，本专利技术不涉及高温高压反应，符合安全标准。
[0017](4)本专利技术使用硅粉与商业电池中回收的石墨，制备硅/石墨纳米复合材料，在充放电过程中蓬松结构的石墨能够缓冲硅的体积变化，具有提高首圈库伦效率、电化学性能和安全性等优点，能够工业化应用，具有良好的应用前景。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例1制备的锂离子电池的循环性能和库仑效率曲线图。
[0019]图2为本专利技术实施例2制备的锂离子电池的循环性能和库仑效率曲线图。
[0020]图3为本专利技术对比例1制备的锂离子电池的循环性能和库仑效率曲线图。
具体实施方式
[0021]现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。
[0022]另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
[0023]除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本专利技术所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本专利技术仅描述了优选的方法和材料，但是在本专利技术的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
[0024]关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
[0025]本专利技术实施例及对比例所用硅粉为商业纳米硅粉，其纯度大于99.9％，粒径在30
‑
50nm之间，比表面积为30
‑
50m2/g。
[0026]实施例1
[0027]硅/石墨纳米复合材料的制备：
[0028]先称取90g废旧磷酸铁锂电池中回收的石墨，再称取10g商业纳米硅粉，取5000g的氧化锆球(3mm规格)，一起放入等离子体球磨机中，以转速为1000rpm的速度在放电频率为10KHz下研磨10h，得到混合均匀的硅/石墨纳米复合材料。
[0029]储能性能研究：
[0030]将前述步骤制备得到的硅/石墨纳米复合材料:导电炭黑(SP):聚偏氟乙烯(PVDF)
以质量比8:1:1的比例混合0.5h，然后加入N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂，手动研磨5min，形成黑色浆液，将浆料按照100μm的厚度涂敷在铜箔集流体上面，在110℃真空干燥12h，将硅碳电极极片作为锂离子电池电负极，并在充满氩气的手套箱中进行电池的组装，组装过程如下：将烘干后的极片用冲片机切成直径为13mm的圆极片，1.0MLiPF6inEC:DMC:DEC＝1:1:1Vol％作为电解液，使用Celgard2400作为隔膜，以直径为15mm的锂片作为参比电极和对电极，CR2016型不锈钢为电池外壳组装成扣式锂离子电池。
[0031]测试所制得扣式锂离子电池电化学性能，在25℃下静置8h后，以0.1C的速率在0.01V
‑
1.5V间进行充放电循环时，其首次放电比容量可达570.2mAh/g，超过现有的商业硅碳材料(428mAh/g)，首圈库伦效率高达93.07％，循环100圈后比容量保持在94.5％、库仑效率保持在100％，达到商业化硅碳材料的水平，循环性能和库仑效率曲线图如图1所示，该结果本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅/石墨纳米复合材料，其特征在于，由废旧电池中回收的石墨与硅粉复合得到。2.根据权利要求1所述的硅/石墨纳米复合材料，其特征在于，所述废旧电池包括磷酸铁锂电池或三元电池。3.根据权利要求1所述的硅/石墨纳米复合材料，其特征在于，所述硅粉与所述废旧电池中回收的石墨的质量比为(5
‑
20):(80
‑
95)。4.根据权利要求1所述的硅/石墨纳米复合材料，其特征在于，所述硅粉纯度大于99.9％，粒径为30
‑
50nm，比表面积为30
‑
50m2/g。5.一种权利要求1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张义永，侯冀岳，李雪，张英杰，董鹏，孟奇，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：