技术领域
[0001] 本
发明属于化学电源技术领域，本发明涉及一种自支撑双面硅-
石墨烯复合负极的制备方法。
背景技术
[0002] 随着信息化时代的迅猛发展和大气污染带来的环境问题日益严重，对便携式
电子设备和电动
汽车的大量需求和广泛应用变得日益紧迫，进而对快速充放电、高比
能量和长
循环寿命的
锂离子电池的需求十分迫切。目前市场上应用的
锂离子电池的
负极材料主要为
碳类材料，然而碳材料的理论容量仅有372mAh/g，已不适于高容量高功率锂离子电池的广泛需求。
[0003] 为了开发高容量锂离子电池，研究者们寻找可以替代碳材料的高容量新型负极材料，其中硅材料，具有极好的理论存储容量(4200mAh/g)和较低的
嵌锂电位(小于0.5V)比较符合要求，并且硅在地球中的含量极为丰富。但是，硅材料的首次库伦效率较低和循环性能较差，限制了其商业化应用。经过大量研究发现，硅材料作为锂离子电池负极材料，主要存在4方面缺点：1)充放电过程中硅材料存在巨大的体积变化，导致
电极材料剥落和坍塌；2)硅材料在脱嵌锂过程中由晶态向无序态的不可逆转变，导致材料结构破坏；3)硅材料
导电性能差，且与锂的不均匀反应降低，降低了硅材料的循环性能；4)硅颗粒越小，比表面越大，更容易放出高容量，但是
纳米级别的硅颗粒容易团聚，造成电化学性能降低。其中石墨烯材料作为电池负极也存在一些缺点，包括：1)制备的
单层石墨烯
片层极易堆积，
比表面积的减少使其丧失了部分高储锂空间；2)首次库伦效率低，一般低于70％。由于大比表面积和丰富的官能团，循环过程中
电解质会在石墨烯表面发生分解，形成SEI膜；同时，碳材料表面残余的含
氧基团与锂离子发生不可逆副反应，造成可逆容量的进一步下降；3)初期容量衰减快。因此通过大量研究表明，硅材料和石墨烯材料不能单独作为负极材料。
[0004] 为解决上述存在的这一系列问题，发挥两种材料的最佳性能，很多研究者致
力于制备石墨烯和硅材料的复合负极材料，通常有2类方法。第一类主要是硅与碳材料形成
复合材料；第二类主要是设计不同结构的硅复合材料。
[0005] 目前上述解决问题的办法，存在成本高、工艺复杂、批量生产困难等问题，并且不能较好的提高硅材料的首次库伦效率和循环性能。
发明内容
[0006] 针对
现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种自支撑双面硅-石墨烯复合负极的制备方法。本发明通过
等离子体增强
化学气相沉积的方法(PECVD)，形成具有不同活性的含硅等离子体(SiHx，x＝0-4)，与自支撑的石墨烯电极片，与石墨烯官能团发生反应，形成具有硅碳结构的双面硅-石墨烯复合负极，减少石墨烯表面的不稳定官能团数量和硅体积的变化，提高硅负极的首效和循环性能。
[0007] 为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案为：
[0008] 本发明公开了一种自支撑双面硅-石墨烯复合负极的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0009] S1、将石墨烯材料、导电剂、粘结剂按比例混合，加入
有机溶剂通过搅拌或者球磨形成前驱体溶液，通过擀膜方式制备自支撑的石墨烯电极片；
[0010] S2、将自支撑石墨烯电极片放置于
真空烘箱中100-150℃，保持12-24h；
[0011] S3、将自支撑石墨烯电极片放置于PECVD设备中的样品架上，抽真空至8*10-4Pa；
[0012] S4、将硅烷、氢气通入设备中，设定功率起辉，硅烷气体分解等，利用辉光产生的硅烷等离子体轰击石墨烯电极片，利用
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法进行掺杂硅；
[0013] S5、将自支撑石墨烯电极片反置于样品架上，重复步骤S3和S4，得到双面自支撑硅-石墨烯负极片。
[0014] 在上述技术方案中，优选的，S1中制备自支撑的石墨烯电极片的步骤包括：将a克石墨烯原料与b克导电剂混合，加入c毫升酒精，常温下搅拌3小时使其混合均匀，再加入d毫升粘结剂，搅拌1小时至分散均匀形成面团状胶体；通过擀膜的方法擀出厚度约100～200微米的石墨烯电极片；其中a：b：c：d＝1:0.1:10:2。
[0015] 在上述技术方案中，进一步优选的，S4步骤包括：设置起辉功率为80-100W，通入10sccm硅烷和30sccm氢气，辉光溅射5-15min制备自支撑硅-石墨烯复合负极。
[0016] 在上述技术方案中，进一步优选的，所述石墨烯材料为人工石墨或天然石墨制备的石墨烯，氧化石墨烯的一种或多种组合。
[0017] 在上述技术方案中，进一步优选的，所述导电剂为
乙炔黑、Super P、Super S、350G、碳
纤维、碳
纳米管、科琴黑、石墨导电剂以及石墨烯中的一种或多种组合。
[0018] 在上述技术方案中，进一步优选的，所述粘结剂为
水性或油性粘结剂，包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚碳酸丙烯酯、聚碳酸乙烯酯、聚三亚甲基碳酸酯、聚乙烯醇、羧甲基
纤维素钠、聚乙烯、聚丙烯及其共聚物、改性SBR、氟化
橡胶、聚
氨酯中的一种或多种组合。
[0019] 在上述技术方案中，进一步优选的，所述
有机溶剂为N-甲基-2-吡咯烷
酮、酒精、四氢呋喃、碳酸丙烯酯、碳酸二甲(乙)酯、碳酸甲乙酯、乙酸乙酯、乙腈、异丙醚、丙酮、丁酮、异丙醇、丁醇、己烷、环己烷、N,N-二甲基乙酰胺、苯、
甲苯、二甲基亚砜、四氯化碳、三氯化烯、丙酮中的一种或多种组合。
[0020] 本发明的优点及积极效果为：
[0021] 本发明通过等离子体增强化学气相沉积的方法(PECVD)，形成具有不同活性的含硅等离子体(SiHx，x＝0-4)，通过石墨烯的大孔结构，与石墨烯边缘的
缺陷或者官能团发生反应，形成具有硅碳结构的双面硅-石墨烯复合负极，减少石墨烯表面的不稳定官能团数量和硅体积的变化，提高硅负极的首效和循环性能。此外还具有如下优势：
[0022] 1、石墨烯电极片是自支撑结构，没有集
流体，
质量较轻；
[0023] 2、石墨烯可大大改善硅材料的导电性能；
[0024] 3、双面硅-石墨烯复合负极缓解了硅在充放电过程中的体积效应；
[0025] 4、自支撑双面硅-石墨烯复合负极的制备方法，易于制备和大规模生产的特点，是未来批量制备性能优良的负极片的优势候选；
[0026] 5、制备的双面自支撑硅-石墨烯复合负极，有利于快速充放电，降低了首次不可逆容量，提高了材料循环
稳定性。
附图说明
[0027] 图1为本发明
实施例1中所用的PECVD设备自支撑硅-石墨烯复合负极制备示意图；
[0028] 图2为本发明实施例1中自支撑石墨烯负极的第一次充放电图；
[0029] 图3为本发明实施例1中自支撑双面硅-石墨烯复合负极的第一次充放电图；
[0030] 图4为本发明实施例1中自支撑石墨烯负极的循环性能图；
[0031] 图5为本发明实施例1中自支撑石墨烯复合负极和双面硅-石墨烯复合负极的循环性能图。
具体实施方式
[0032] 为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
[0033] 参阅附图1、图2、图3、图4和图5。
[0034] 实施例1
[0035] 一种自支撑双面硅-石墨烯复合负极的制备方法，将自支撑双面硅-石墨烯复合负极、锂离子电池电解液和负极组装制成锂离子电池。具体制备过程如下：
[0036] 步骤一、将1g石墨烯原料与0.1g导电剂(SP)混合，加入10ml酒精，常温下搅拌3小时使其混合均匀，再加入2ml聚四氟乙烯粘结剂，搅拌1小时至分散均匀形成类似于面团似的胶体；通过擀膜的方法擀出厚度约100～200微米的石墨烯电极片；
[0037] 步骤二、将电极切割成10cm×10cm的电极片，放置于真空100℃下干燥12小时；
[0038] 步骤三、将上述电极片放置于PECVD设备的样品架上，调节衬底间距为10cm，抽真空至8*10-4Pa，设定功率为80W，通入10sccm硅烷和30sccm氢气，辉光溅射5min制备自支撑硅-石墨烯复合负极；
[0039] 步骤四、再将样品反置于样品架上，重复辉光溅射，得到自支撑双面硅-石墨烯复合负极片。
[0040] 实施例2
[0041] 一种自支撑双面硅-石墨烯复合负极的制备方法，将自支撑双面硅-石墨烯复合负极、锂离子电池电解液和负极组装制成锂离子电池。具体制备过程如下：
[0042] 步骤一、将1g石墨烯原料与0.1g导电剂(SP)混合，加入10ml酒精，常温下搅拌3小时使其混合均匀，再加入2ml聚四氟乙烯粘结剂，搅拌1小时至分散均匀形成类似于面团似的胶体；通过擀膜的方法擀出厚度约100～200微米的石墨烯电极片；
[0043] 步骤二、将电极切割成10cm×10cm的电极片，放置于真空120℃下干燥18小时；
[0044] 步骤三、将上述电极片放置于PECVD设备的样品架上，调节衬底间距为10cm，抽真空至8*10-4Pa，设定功率为90W，通入10sccm硅烷和30sccm氢气，辉光溅射10min制备自支撑硅-石墨烯复合负极；
[0045] 步骤四、再将样品反置于样品架上，重复辉光溅射，得到自支撑双面硅-石墨烯复合负极片。
[0046] 实施例3
[0047] 一种自支撑双面硅-石墨烯复合负极的制备方法，将自支撑双面硅-石墨烯复合负极、锂离子电池电解液和负极组装制成锂离子电池。具体制备过程如下：
[0048] 步骤一、将1g石墨烯原料与0.1g导电剂(SP)混合，加入10ml酒精，常温下搅拌3小时使其混合均匀，再加入2ml聚四氟乙烯粘结剂，搅拌1小时至分散均匀形成类似于面团似的胶体；通过擀膜的方法擀出厚度约100～200微米的石墨烯电极片；
[0049] 步骤二、将电极切割成10cm×10cm的电极片，放置于真空150℃下干燥24小时；
[0050] 步骤三、将上述电极片放置于PECVD设备的样品架上，调节衬底间距为10cm，抽真空至8*10-4Pa，设定功率为100W，通入10sccm硅烷和30sccm氢气，辉光溅射15min制备自支撑硅-石墨烯复合负极；
[0051] 步骤四、再将样品反置于样品架上，重复辉光溅射，得到自支撑双面硅-石墨烯复合负极片。
[0052] 最后，在氩气气氛
手套箱中将上述过程制备的自支撑双面硅-石墨烯复合负极片、锂离子电解液和Φ20的金属锂片组装锂离子电池，在蓝电测试系统中测试电池性能，
电压范围为0.01V～2.5V，
电流密度为100mA g-1，测试
温度为25℃。经过测试发现，电池的首效和循环性能明显改善。
[0053] 表1为本发明实施例1中自支撑石墨烯负极和自支撑双面硅-石墨烯复合负极的首次库伦效率。
[0054] 自支撑石墨烯负极 自支撑双面硅-石墨烯复合负极首次库伦效率(％) 82.93％ 90.04％
[0055] 以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单
修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
