一种复合负极材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种复合负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、环境友好、无记忆效应等优点而备受关注，在3C数码、汽车等领域有着广泛应用。石墨作为负极材料，其理论克容量仅为372mAh/g，越来越无法满足人们对高能量密度电池的需求尤其是5G时代的来临。硅材料具有最高的理论客容量(～4200mAh/g)以及低的放电电压(～0.5Vvs Li/Li+)，被认为是取代石墨的最有前景的负极材料之一。硅材料在充放电过程中产生的较大体积变化(可达到300％)会导致SEI不稳定、锂粉化、活性材料之间以及和导电剂间的接触变弱等一系列问题，最终导致锂电池首效低、循环寿命短以及安全等问题。这成为了制约硅材料在锂电池中广泛应用的最大障碍。硅氧材料膨胀约150％，较纯硅有明显的降低，但是仍然严重限制了其应用。有鉴于此，设计开发一种能有效缓解硅氧的膨胀、提高充放电过程中机械稳定性并提高其导电性的新型硅负极十分有必要。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种复合负极材料的制备方法，能够制备出具有足够的机械强度来缓解硅氧的膨胀，具有良好的离子传输能力和电子网络，库伦效率高，循环性好，安全性高。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将第一刻蚀剂溶于酸溶液中，加入碳化钛铝搅拌混合，离心水洗，溶解，二次离心制得二维层状物上清液；

S2、将氧化石墨烯与二维层状物上清液混合，加入还原剂，超声处理，密封，加热反应得到复合水凝胶，将复合水凝胶浸泡洗涤，加热干燥，冷冻干燥得到复合气凝胶。

S3、将氧化亚硅在高温下烧结，用第二刻蚀剂对氧化亚硅刻蚀后与碳源、复合气凝胶混合搅拌，真空烘烤，在惰性气体环境下加热反应得到复合负极材料。

本发明氧化亚硅(SiO)为负极材料，本身具有高的理论比容量，是取代现有石墨的最理想材料之一，但是其大的膨胀和弱的导电性限制其应用。本发明将其放置在具备较强机械强度的基体(MXene/rGO气凝胶)内，从而限制其的体积膨胀，从而使负极材料具有氧化亚硅的优点同时避免了氧化亚硅的缺点。本发明先将氧化石墨烯与二维层状物(MXene)结合，还原形成MXene/rGO气凝胶，并为SiO提供附着位点，再将氧化亚硅、碳源混合，加热反应形成复合负极材料。该过程中使用纳米级的二维层状物均匀分散到微米级的rGO上，提成结合成功率以及结合强度，而且二维层状物本身为层结构，能够将碳包覆SiO夹在其中，形成复合负极材料具有高导电、高比表面积、超轻，较强的亲锂性。

本发明复合水凝胶为二维层状物(MXene)与还原氧化石墨烯结合的水凝胶，二维层状物(MXene)为具有MAX相的碳化钛铝被刻蚀，选择性地清除Al原子，碳化物层的表面产生了末端O、OH和(或)F原子的二维层状结构物MXene。本发明的二维层状物可同时充当粘结剂和导电剂，有利于提高活性材料SiO的承载量和抑制SiO的膨胀。还原氧化石墨烯(rGO)可用于提高二维层状物的导电性，构建MXene/rGO气凝胶为SiO的基体，可表现出优异导电性、良好的亲锂性，提升SiO的库伦效率和循环稳定性。

本发明在S3中对氧化亚硅(SiO)进行烧结，使SiO内部均匀生成纳米硅晶粒，提升SiO的容量，HF刻蚀为增加SiO表面粗糙度，利于后续包覆的连接强度。进行碳包覆时使用的碳源有葡萄糖、柠檬酸等。碳包覆使碳与SiO的接触更紧密，利于导电性的提高，同时改善膨胀。

作为本发明一种复合负极材料的制备方法的一种改进，所述S1中所述第一刻蚀剂与碳化钛铝的重量份数比为1～2:1～3。

作为本发明一种复合负极材料的制备方法的一种改进，所述氧化石墨烯与碳化钛铝的重量份数比为2～4:1～2。

作为本发明一种复合负极材料的制备方法的一种改进，所述S3中SiO、碳源、复合气凝胶的重量份数比为1～2:5～10:1～3。

作为本发明一种复合负极材料的制备方法的一种改进，所述S1中酸溶液的深度为6～9mol/L，搅拌的温度为30～35℃，搅拌时间为20～30h，离心的转速为3000～4000rpm，二次离心的转速为3000～4000rpm，二次离心的时间为20～40min。

作为本发明一种复合负极材料的制备方法的一种改进，所述S2中二维层状物上清液中Ti

作为本发明一种复合负极材料的制备方法的一种改进，所述S2中加热反应具体为将液体放入70～90℃的烘箱中反应4～7h。

作为本发明一种复合负极材料的制备方法的一种改进，所述S2中加热干燥具体为将复合水凝胶放入70～90℃的烘箱中反应1～3h。

作为本发明一种复合负极材料的制备方法的一种改进，所述S3中高温烧结的温度为1000～1200℃，烧结的时间为4～6h，刻蚀的时间为10～60min，混合搅拌的时间为2～4h，真空烘烤的温度为120～160℃，烘烤时间为10～15h，加热反应的温度为1000～1200℃，加热反应的时间为1～3h。

本发明的目的之二在于：针对现有技术的不足，而提供一种复合负极材料，具有足够的机械强度来缓解硅氧的膨胀，具有良好的离子传输能力和电子网络，库伦效率高，循环性好，安全性高。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合负极材料，由上述的复合负极材料的制备方法制得。

本发明的目的之三在于：针对现有技术的不足，而提供一种负极片，循环性好，安全性高。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种负极片，包括集流体以及设置在集流体至少一侧面的负极材料，所述负极材料为上述的复合负极材料。

本发明的目的之四在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂离子电池，包括上述的负极片。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种锂离子电池，包括上述的负极片。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明所得的MXene/rGO气凝胶为多孔结构，连续网络结构不仅提供快速离子传输能力和良好的电子网络，而且有足够的机械强度缓解硅氧的膨胀，以此提高库伦效率、循环性能和安全性能。

(2)本发明所得的碳包覆SiO/MXene/rGO气凝胶复合材料具有较高的比容量、库伦效率以及长循环后有较高的容量保持。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例1

(1)将2g第一刻蚀剂LiF溶于9M盐酸中并完全分散，之后缓慢加入2g Ti

(2)将2mg/mL的氧化石墨烯(GO分散体)与二维层状物(Ti

(3)将市售的SiO粉(200目，99.99％)在1100℃下在氩气中烧结5h，之后用第二刻蚀剂HF刻蚀SiO粉10-60min；将使用第二刻蚀剂对SiO刻蚀后获得的材料与蔗糖溶液、二维层状物/rGO按重量份数比为1:5:1共同搅拌3h，之后在真空环境下150℃烘烤12h，在氩气下1100℃加热2h，得到目标产物，即复合负极材料。

一种负极材料，由上述制备方法制得。

一种负极片，将上述负极材料与导电剂超导碳、增稠剂羧甲基纤维素钠、粘结剂丁苯橡胶按质量比96.5:1.0:1.0:1.5制成负极浆料，涂布在集流体铜箔上并在85℃下烘干收卷后，再在铜箔另一面按上述方法进行负极浆料涂布和干燥，然后将制备出的铜箔双面涂有负极活性物质层的极片进行冷压处理。

正极片的制备

将NCM811正极活性物质、导电剂超导碳、碳管、粘结剂聚偏氟乙烯按质量比96:2.0:0.5:1.5混合均匀制成正极浆料，将正极浆料涂布在集流体铝箔的一表面上，在85℃下烘干收卷后，再在铝箔另一面按上述方法进行正极浆料涂布和干燥，然后将制备出的铝箔双面涂有正极活性物质层的极片进行冷压、切边、裁片、分条，分条后，制成锂离子电池正极片。

隔膜：选取厚度为7μm的聚乙烯多孔薄膜作为隔膜。

电解液的制备：

将六氟磷酸锂(LiPF

电池的制备：

将上述正极片、隔膜和负极片卷绕成电芯，电芯容量约为5Ah。隔膜位于相邻的正极片和负极片之间，正极以铝极耳点焊引出，负极以镍极耳点焊引出；然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入上述电解液，经封装、化成、分容等工序，最后制成聚合物锂离子电池。

实施例2

(1)将2g第一刻蚀剂LiF溶于9M盐酸中并完全分散，之后缓慢加入2g Ti

(2)将2mg/mL的氧化石墨烯(GO分散体)与二维层状物(Ti

(3)将市售的SiO粉(200目，99.99％)在1100℃下在氩气中烧结5h，之后用HF刻蚀30min；将获得的材料与蔗糖溶液、二维层状物/rGO按重量份数比为1:8:1共同搅拌3h，之后在真空环境下150℃烘烤12h，在氩气下1100℃加热2h，得到目标产物，即复合负极材料。

一种负极材料，由上述制备方法制得。

一种负极片，将上述负极材料与导电剂超导碳、增稠剂羧甲基纤维素钠、粘结剂丁苯橡胶按质量比96.5:1.0:1.0:1.5制成负极浆料，涂布在集流体铜箔上并在85℃下烘干收卷后，再在铜箔另一面按上述方法进行负极浆料涂布和干燥，然后将制备出的铜箔双面涂有负极活性物质层的极片进行冷压处理。

正极片的制备

将NCM811正极活性物质、导电剂超导碳、碳管、粘结剂聚偏氟乙烯按质量比96:2.0:0.5:1.5混合均匀制成正极浆料，将正极浆料涂布在集流体铝箔的一表面上，在85℃下烘干收卷后，再在铝箔另一面按上述方法进行正极浆料涂布和干燥，然后将制备出的铝箔双面涂有正极活性物质层的极片进行冷压、切边、裁片、分条，分条后，制成锂离子电池正极片。

隔膜：选取厚度为7μm的聚乙烯多孔薄膜作为隔膜。

电解液的制备：

将六氟磷酸锂(LiPF

电池的制备：

将上述正极片、隔膜和负极片卷绕成电芯，电芯容量约为5Ah。隔膜位于相邻的正极片和负极片之间，正极以铝极耳点焊引出，负极以镍极耳点焊引出；然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入上述电解液，经封装、化成、分容等工序，最后制成聚合物锂离子电池。

实施例3

(1)将2g LiF溶于9M盐酸中并完全分散，之后缓慢加入2g Ti

(2)将2mg/mL的氧化石墨烯(GO分散体)与二维层状物(Ti

(3)将市售的SiO粉(200目，99.99％)在1100℃下在氩气中烧结5h，之后用HF刻蚀10-60min；将获得的材料与蔗糖溶液、二维层状物/rGO按重量份数比为1:10:1共同搅拌3h，之后在真空环境下150℃烘烤12h，在氩气下1100℃加热2h，得到目标产物，即复合负极材料。

一种负极材料，由上述制备方法制得。

一种负极片，将上述负极材料与导电剂超导碳、增稠剂羧甲基纤维素钠、粘结剂丁苯橡胶按质量比96.5:1.0:1.0:1.5制成负极浆料，涂布在集流体铜箔上并在85℃下烘干收卷后，再在铜箔另一面按上述方法进行负极浆料涂布和干燥，然后将制备出的铜箔双面涂有负极活性物质层的极片进行冷压处理。

正极片的制备

将NCM811正极活性物质、导电剂超导碳、碳管、粘结剂聚偏氟乙烯按质量比96:2.0:0.5:1.5混合均匀制成正极浆料，将正极浆料涂布在集流体铝箔的一表面上，在85℃下烘干收卷后，再在铝箔另一面按上述方法进行正极浆料涂布和干燥，然后将制备出的铝箔双面涂有正极活性物质层的极片进行冷压、切边、裁片、分条，分条后，制成锂离子电池正极片。

隔膜：选取厚度为7μm的聚乙烯多孔薄膜作为隔膜。

电解液的制备：

将六氟磷酸锂(LiPF

电池的制备：

将上述正极片、隔膜和负极片卷绕成电芯，电芯容量约为5Ah。隔膜位于相邻的正极片和负极片之间，正极以铝极耳点焊引出，负极以镍极耳点焊引出；然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入上述电解液，经封装、化成、分容等工序，最后制成聚合物锂离子电池。

实施例4

与实施例1的区别在于：

所述氧化石墨烯与碳化钛铝的重量份数比为2:3。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例5

与实施例1的区别在于：

所述氧化石墨烯与碳化钛铝的重量份数比为2:1。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例6

与实施例1的区别在于：

所述S3中SiO、碳源、复合气凝胶的重量份数比为2:5:1。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例7

与实施例1的区别在于：

所述S3中SiO、碳源、复合气凝胶的重量份数比为2:7:1。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例8

与实施例1的区别在于：

所述S3中SiO、碳源、复合气凝胶的重量份数比为2:9:1。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例9

与实施例1的区别在于：

所述S3中SiO、碳源、复合气凝胶的重量份数比为2:10:1。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例10

与实施例1的区别在于：

所述S1中所述第一刻蚀剂与碳化钛铝的重量份数比为1:2。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例11

与实施例1的区别在于：

所述S1中所述第一刻蚀剂与碳化钛铝的重量份数比为1:3。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例12

与实施例1的区别在于：

所述S1中所述第一刻蚀剂与碳化钛铝的重量份数比为2:1。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例13

与实施例1的区别在于：

所述S1中所述第一刻蚀剂与碳化钛铝的重量份数比为2:3。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

对比例1

与实施例1的区别在于

S1、将第一刻蚀剂溶于酸溶液中，加入碳化钛铝搅拌混合，离心水洗，溶解，二次离心制得二维层状物上清液；

S2、将二维层状物上清液加热干燥，冷冻干燥得到二维层状物气凝胶；

S3、将SiO在高温下烧结，用第二刻蚀剂对SiO刻蚀后与碳源、二维层状物气凝胶混合搅拌，真空烘烤，在惰性气体环境下加热反应得到复合负极材料。

其余与实施例1相同，这里不再赘述。

对比例2

与实施例1的区别在于

S1、将第一刻蚀剂溶于酸溶液中，加入碳化钛铝搅拌混合，离心水洗，溶解，二次离心制得二维层状物上清液；

S2、将氧化石墨烯与二维层状物上清液混合，加入还原剂，超声处理，密封，加热反应得到复合水凝胶，将复合水凝胶浸泡洗涤，加热干燥，冷冻干燥得到复合气凝胶；

S3、将SiO、复合气凝胶混合搅拌，真空烘烤，在惰性气体环境下加热反应得到复合负极材料。

性能测试

对上述实施例1-13以及对比例1和2制得的电池进行相关性能测试。

1、物化性能：对制备出的锂离子电池负极材料的首次放电容量和首次效率进行测试并做比较，结果记录表1。

表1

2、电性能：对制备出的锂离子电池的循环(0.5C CC to 4.45V，CV to 200mA；0.2C放电至3.0V)、倍率放电(2C放电到3V)等电化学性能进行测试并做比较，结果记录表2。

表2

由上述表1和表2对比得出，本发明复合负极材料的制备方法制备出的复合负极材料相对于现有技术具有更好的性能，能够制备出具有更足够的机械强度来缓解硅氧的膨胀，具有良好的离子传输能力和电子网络，库伦效率高，循环性好，安全性高。由实施例1-5对比得出，当设置氧化石墨烯与碳化钛铝的重量份数比为1:3时，制备出的复合负极材料具有更好的性能；由实施例1、2、3以及6-9对比得出，当设置所述S3中SiO、碳源、复合气凝胶的重量份数比为1:10:1，制备出的复合负极材料具有更好的性能；由实施例1、2、3以及10-13对比得出，当设置所述第一刻蚀剂与碳化钛铝的重量份数比为2:2时，制备出的复合负极材料具有更好的性能。综上所述，当设置当设置氧化石墨烯与碳化钛铝的重量份数比为1:3，SiO、碳源、复合气凝胶的重量份数比为1:10:1，第一刻蚀剂与碳化钛铝的重量份数比为2:2时(即实施例3)，制备出的复合负极材料性能更好，放电容量达1380mAh·g-1，首效达90.1％，循环容量保持率97.3％，倍率放电容量保持率93.5％。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。