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一种锂离子电池的负极复合材料的制备方法[发明专利]

一、背景技术

(1)随着便携式电子设备和新能源汽车的快速发展，对锂离子电池的能量密度和循环寿命提出了更高的要求。传统的石墨负极材料虽然具有稳定的层状结构，但能量密度有限，限制了电池的性能提升。因此，研究新型高容量、高稳定性的锂离子电池负极复合材料成为当前研究的热点。例如，2018年，研究人员在《JournalofMaterialsChemistryA》上发表了一篇关于新型负极材料的研究论文，指出通过调控纳米结构，可以有效提高锂离子电池的循环性能。

(2)锂离子电池负极复合材料的制备方法对电池的性能有重要影响。目前，常见的制备方法包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、机械合金化法等。其中，溶胶-凝胶法因其操作简便、易于实现材料复合等优点，被广泛应用于锂离子电池负极材料的制备。例如，2019年，某研究团队采用溶胶-凝胶法制备了纳米结构的硅碳复合材料，该材料的首次库仑效率达到92%，循环稳定性超过1000次。

(3)除了制备方法，负极材料的结构设计也对电池性能有显著影响。例如，通过引入导电聚合物、金属氧化物等成分，可以改善材料的电子传导性能和倍率性能。研究表明，在锂离子电池负极材料中添加少量的导电聚合物，可以有效降低界面阻抗，提高电池的倍率性能。以聚丙烯腈（PAN）为例，当其在锂离子电池负极材料中的应用比例为5%时，电池的倍率性能可以提升30%。

二、发明内容

(1)本发明涉及一种锂离子电池负极复合材料及其制备方法，旨在提供一种具有高能量密度、良好循环稳定性和优异倍率性能的负极材料。该复合材料由石墨烯纳米片、硅纳米颗粒和导电聚合物复合而成，其中石墨烯纳米片作为导电骨架，硅纳米颗粒提供高容量，导电聚合物则增强电子传导。通过优化复合材料的组分比例和制备工艺，实现电池性能的提升。实验结果表明，该复合材料在首次放电容量达到1300mAh/g，循环500次后容量保持率超过90%，倍率性能在1C时仍能保持800mAh/g。

(2)本发明的制备方法采用溶胶-凝胶法，首先将石墨烯纳米片和硅纳米颗粒分散于溶剂中，加入导电聚合物前驱体，搅拌混合均匀。随后，通过水解缩聚反应形成凝胶，再进行干燥、热处理等步骤，最终得到具有三维网络结构的复合材料。该制备方法具有操作简便、成本低廉、易于实现大规模生产等优点。以本发明为例，通过优化溶胶-凝胶法制备工艺，成功制备出具有优异性能的锂离子电池负极复合材料。具体而言，当石墨烯纳米片与硅纳米颗粒的质量比为1:1，导电聚合物与溶剂的质量比为1:2时，所得复合材料的性能最佳。

(3)本发明提供的新型锂离子电池负极复合材料在电池性能方面具有显著优势。与传统石墨负极材料相比，该复合材料在能量密度、循环稳定性和倍率性能等方面均有明显提升。以某型号锂离子电池为例，采用本发明制备的负极复合材料后，电池的能量密度提高了20%，循环寿命延长至1500次，倍率性能在1C时仍能保持80%的容量。此外，该复合材料在高温、低温等极端环境下的性能也表现出良好的稳定性，为锂离子电池在各类应用场景中的广泛应用提供了有力保障。

三、制备方法

(1)本发明的制备方法首先采用溶胶-凝胶法制备石墨烯纳米片/硅纳米颗粒复合前驱体。具体步骤如下：将一定量的石墨烯纳米片和硅纳米颗粒分别分散于去离子水中，加入适量的氢氧化钠溶液，搅拌混合均匀，形成悬浮液。随后，向悬浮液中滴加一定浓度的硅烷偶联剂，继续搅拌至溶液呈均匀的乳白色。接着，将一定量的醋酸溶液缓慢滴加到上述悬浮液中，同时持续搅拌，以促进水解缩聚反应的发生。待溶液变为透明凝胶状后，将其转移至烘箱中，在80℃下干燥12小时，得到干燥的复合前驱体。

(2)在得到干燥的复合前驱体后，进行热处理步骤以促进复合材料的形成。具体操作为：将干燥的复合前驱体放入管式炉中，以5℃/min的升温速率加热至300℃，保持2小时，使硅纳米颗粒与石墨烯纳米片之间形成稳定的化学键合。随后，将温度升至500℃，保持2小时，进一步促进复合材料中导电聚合物的交联和结构优化。热处理完成后，将样品自然冷却至室温，得到最终的多功能锂离子电池负极复合材料。

(3)为了进一步提高复合材料的导电性和分散性，本发明采用球磨法对热处理后的复合材料进行后处理。具体步骤为：将得到的复合材料与适量的球磨介质（如氧化铝球）混合，放入球磨罐中。在行星式球磨机上以300r/min的转速球磨4小时，使复合材料中的石墨烯纳米片、硅纳米颗粒和导电聚合物得到充分混合和分散。球磨完成后，将样品过滤、洗涤、干燥，得到具有优异性能的锂离子电池负极复合材料。通过球磨处理，复合材料的导电性提高了约30%，循环稳定性提升了15%，为锂离子电池的实际应用提供了有力支持。

四、实验结果与分析

(1)本实验通过溶胶-凝胶法及后续球