CN107887581A - 多孔石墨烯包覆石墨、制备及在锂离子电池上的应用 - Google Patents

多孔石墨烯包覆石墨、制备及在锂离子电池上的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及纳米复合材料领域，公布了一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。该复合材料中多孔石墨烯包覆在石墨的表面。当用于锂离子电池负极材料时，表现出了高的容量，很好的倍率性能以及循环稳定性。该复合材料制备方法简单，所用的原材料资源丰富、成本较低，制备工艺简单，易于大规模生产。

Description

多孔石墨烯包覆石墨、制备及在锂离子电池上的应用
技术领域
本发明属于纳米复合材料技术领域，具体涉及一种多孔石墨烯包覆石墨复合材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。
背景技术
目前，商业化的负极材料主要是石墨材料，但是由于其容量比较低，而且不适用于快速充放电，成为了制约锂离子电池发展的主要原因。因此，发展具有更高容量、更好倍率性能、低成本、长寿命以及安全可靠的新型负极材料已经十分紧迫。
传统负极材料的改性方法主要包括包覆改性、氧化改性、掺杂改性以及表面沉积金属或者金属氧化物。氧化法优点是可以使用低成本的空气，但是其存在一个很大的缺点就是氧化只能发生在空气接触到的颗粒表面，因此所制备的材料很难保证其均一性。掺杂改性会引入除碳原子之外的一些杂原子，会导致首次库伦效率降低。表面沉积金属或者金属氧化物虽然可以提高电极的循环性能，但是在全电池的测试过程中金属离子会极大的破坏电池的整体性能。包覆改性是在石墨的表面包覆一层无定型的炭“壳”，形成“核-壳”结构，可以有效的避免石墨类炭材料的缺点。首先，可以降低石墨材料的不可逆容量；其次，可以提高石墨材料的电解液适应性，使得其可以在PC为溶剂的电解质中使用；最后，可以提高石墨材料的循环稳定性。因此，与其他的改性方法相比，包覆改性被认为是一种简单并且有效的方法。
传统的包覆前驱体主要包括酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇等高分子以及沥青、焦炭等煤或者石油的副产品。但是所形成的包覆层通常较厚，很难严格的控制。石墨烯由于具有高的电导率、大的比表面以及优异的机械性能，有望作为锂离子电池的负极材料。多孔石墨烯一方面具有普通石墨烯本征的优异机械性能和导电性能，另一方面含有很多额外的缺陷，因此备受关注。特殊的多孔结构使得其作为锂离子电池负极材料时可以促进电解液的浸润，缩短锂离子的扩散距离，从而提高电化学性能。但是石墨烯又不能单独的作为锂离子电池的负极材料，这主要是由于其没有明显的平台，不能有稳定的电压输出，而且成本较高。因此，需要提供一种结合二者优点的多孔石墨烯包覆石墨复合材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有石墨电极比容量较低的问题，提供了一种多孔石墨烯包覆石墨、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。
本发明的技术方案如下：
一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料，包括多孔石墨烯和石墨，所述的多孔石墨烯包覆在石墨的表面。
一种如权利要求1所述的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：
步骤1.制备石墨烯分散液，按石墨烯与金属盐的质量比为1:100～1:0.01向石墨烯分散液中加入金属盐得到混合溶液；
步骤2.然后将步骤1得到的混合溶液置于超声机中进行超声处理0分钟到1小时，然后经磁力搅拌器搅拌1-24小时，再冻干后得到石墨烯金属盐混合物；将得到的石墨烯金属盐混合物置于惰性气氛中，在100-1000℃进行炭化处理，得到炭化后的样品，反应时间为0分钟到10小时；然后再用酸溶液对炭化后的样品进行处理，盐酸的浓度为0.01-10mol/L，处理时间为30分钟到8小时；再用去离子水洗涤到中性后，冻干得到多孔石墨烯粉体；
步骤3.然后将步骤2得到的多孔石墨烯粉体与石墨按照质量比为1:100～1:0.01固相混合；再将混合后的物料置于惰性气氛中，在100-1000℃进行炭化处理，反应时间为0分钟到10小时，即可得到多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料。
步骤1中石墨烯与金属盐的质量比为1:10～1:0.1。
步骤1中所述的石墨烯为化学法制备的氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或者机械剥离法制备的石墨烯。
步骤1中所述的金属盐为过渡金属硫酸盐、过渡金属硝酸盐、过渡金属氯化物或过渡金属乙酸盐。
所述过渡金属硫酸盐为硫酸铁、硫酸钴、硫酸镍、硫酸铜或硫酸锰；所述过渡金属硝酸盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜或硝酸锰；所述过渡金属氯化物为氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜或氯化锰；所述过渡金属乙酸盐为乙酸铁、乙酸钴、乙酸镍、乙酸铜或乙酸锰。
步骤3所述的固相混合方法可以采用研磨或球磨等方法。
步骤3中多孔石墨烯粉体与石墨质量比为1:10～1:0.1。
制备得到的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料作为锂离子电池负极材料。
一种锂离子电池，负极材料采用了权利要求1所述的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所制备的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料主要有以下特点：(1)多孔石墨烯的多孔结构可以缩短锂离子的扩散路径，提供更多的储锂活性位点；(2)多孔石墨烯包覆在石墨表面，因此可以有效的提高石墨的循环性能。
2.本发明提供的制备工艺只需经过简单的混合和炭化过程即可获得多孔石墨烯包覆石墨电极材料。本发明中所用的原材料资源丰富、成本较低，制备工艺简单，易于大规模的生产。
附图说明
图1为本发明的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的扫描电镜图；
图2为本发明的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的循环性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供了一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料，包括多孔石墨烯和石墨，所述的多孔石墨烯包覆在石墨的表面。所述的石墨可以为天然石墨或人造石墨。
本实施例还提供了一种上述多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：
步骤1.将石墨烯粉末加入水中制备成石墨烯分散液，按石墨烯与金属盐的质量比为1:100～1:0.01向石墨烯分散液中加入金属盐得到混合溶液。石墨烯与金属盐的质量比优选为1:10～1:0.1。
所述的石墨烯为化学法制备的氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或者机械剥离法制备的石墨烯。
所述的金属盐为过渡金属硫酸盐、过渡金属硝酸盐、过渡金属氯化物或过渡金属乙酸盐。所述过渡金属硫酸盐为硫酸铁、硫酸钴、硫酸镍、硫酸铜或硫酸锰；所述过渡金属硝酸盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜或硝酸锰；所述过渡金属氯化物为氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜或氯化锰；所述过渡金属乙酸盐为乙酸铁、乙酸钴、乙酸镍、乙酸铜或乙酸锰。
步骤2.然后将步骤1得到的混合溶液置于超声机中进行超声处理0分钟到1小时，然后经磁力搅拌器搅拌1-24小时，再使用冻干机冻干后得到石墨烯金属盐混合物；
将得到的石墨烯金属盐混合物置于惰性气氛中，在100-1000℃进行炭化处理，得到炭化后的样品，反应时间为0分钟到10小时；
然后再用盐酸对炭化后的样品进行处理，盐酸的浓度为0.01-10M，处理时间为30分钟到8小时；
再用去离子水洗涤到中性后，冻干后得到多孔石墨烯粉体；
步骤3.然后将步骤2得到的多孔石墨烯粉体与石墨按照质量比为1:100～1:0.01固相混合；再将混合后的物料置于惰性气氛中，在100-1000℃进行炭化处理，反应时间为0分钟到10小时，即可得到多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料。所述的固相混合方法可以采用研磨或球磨等方法。多孔石墨烯粉体与石墨质量比优选为1:10～1:0.1。
本实施例还提供了一种锂离子电池，其负极材料采用了上述多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料。
与现有技术相比，本实施例的技术方案具有以下优点：
1.本发明所制备的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料主要有以下特点：(1)多孔石墨烯的多孔结构可以缩短锂离子的扩散路径，提供更多的储锂活性位点；(2)多孔石墨烯包覆在石墨表面，因此可以有效的提高石墨的循环性能。
2.本发明提供的制备工艺只需经过简单的混合和炭化过程即可获得多孔石墨烯包覆石墨电极材料。本发明中所用的原材料资源丰富、成本较低，制备工艺简单，易于大规模的生产。
实施例2
按质量比为1:1向1g氧化石墨烯溶液中加入1g硝酸铁形成混合溶液。然后将其置于超声机中超声30分钟，在磁力搅拌器上搅拌10小时，然后使用冻干机冻干后得到石墨烯金属盐混合物，将冻干后的石墨烯金属盐混合物置于惰性气氛中，在800℃进行炭化处理，反应时间为3小时，然后再用0.1M的盐酸对炭化后的样品进行处理2小时，再用去离子水洗涤到中性后，冻干即可得到多孔石墨烯粉体。然后将多孔石墨烯粉体与石墨按照质量比为1:10固相混合，将混合后的物料置于惰性气氛中，在1000℃进行炭化处理1h，即可得到多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料。如附图1扫描电子显微镜分析表明所制备的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料中多孔石墨烯包覆在石墨的表面。如附图2电化学性能测试结果表明，该复合材料材料在0.5C电流密度下经过90次循环后，容量依然可达353mAh/g。
实施例3
多孔石墨烯制备方法同实施例2，多孔石墨烯粉体与石墨质量比换为1:5，维持其它条件不变。电化学性能测试结果表明，该复合材料材料在0.5C电流密度下经过100次循环后，容量依然可达362mAh/g。
实施例4
多孔石墨烯制备方法同实施例2，多孔石墨烯粉体与石墨质量比换为1:4，维持其它条件不变。电化学性能测试结果表明，该复合材料材料在0.5C电流密度下经过100次循环后，容量依然可达367mAh/g。
实施例5
多孔石墨烯制备方法同实施例2，多孔石墨烯粉体与石墨质量比换为1:3，维持其它条件不变。电化学性能测试结果表明，该复合材料材料在0.5C电流密度下经过100次循环后，容量依然可达373mAh/g。
实施例6
多孔石墨烯制备方法同实施例2，多孔石墨烯粉体与石墨质量比换为1:2，维持其它条件不变。电化学性能测试结果表明，该复合材料材料在0.5C电流密度下经过100次循环后，容量依然可达381mAh/g。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料，其特征在于：包括多孔石墨烯和石墨，所述的多孔石墨烯包覆在石墨的表面。
2.一种如权利要求1所述的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：
步骤1.制备石墨烯分散液，按石墨烯与金属盐的质量比为1:100～1:0.01向石墨烯分散液中加入金属盐得到混合溶液；
步骤2.然后将步骤1得到的混合溶液置于超声机中进行超声处理0分钟到1小时，然后经磁力搅拌器搅拌1-24小时，再冻干后得到石墨烯金属盐混合物；
将得到的石墨烯金属盐混合物置于惰性气氛中，在100-1000℃进行炭化处理，得到炭化后的样品，反应时间为0分钟到10小时；
然后再用酸溶液对炭化后的样品进行处理，盐酸的浓度为0.01-10mol/L，处理时间为30分钟到8小时；
再用去离子水洗涤到中性后，冻干得到多孔石墨烯粉体；
步骤3.然后将步骤2得到的多孔石墨烯粉体与石墨按照质量比为1:100～1:0.01固相混合；再将混合后的物料置于惰性气氛中，在100-1000℃进行炭化处理，反应时间为0分钟到10小时，即可得到多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料。
3.如权利要求2所述的一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中石墨烯与金属盐的质量比为1:10～1:0.1。
4.如权利要求2或3所述的一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1中所述的石墨烯为化学法制备的氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或者机械剥离法制备的石墨烯。
5.如权利要求2或3所述的一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1中所述的金属盐为过渡金属硫酸盐、过渡金属硝酸盐、过渡金属氯化物或过渡金属乙酸盐。
6.如权利要求5所述的一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述过渡金属硫酸盐为硫酸铁、硫酸钴、硫酸镍、硫酸铜或硫酸锰；所述过渡金属硝酸盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜或硝酸锰；所述过渡金属氯化物为氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜或氯化锰；所述过渡金属乙酸盐为乙酸铁、乙酸钴、乙酸镍、乙酸铜或乙酸锰。
7.如权利要求2或3所述的一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3所述的固相混合方法可以采用研磨或球磨等方法。
8.如权利要求2或3所述的一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3中多孔石墨烯粉体与石墨质量比为1:10～1:0.1。
9.如权利要求2或3所述的一种多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于：制备得到的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料作为锂离子电池负极材料。
10.一种锂离子电池，其特征在于：负极材料采用了权利要求1所述的多孔石墨烯包覆石墨纳米复合材料。
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