CN109534318A - 一种用于电池中的石墨烯制备方法 - Google Patents

一种用于电池中的石墨烯制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于电池中的石墨烯制备方法,具体步骤如下,(1)氧化石墨烯溶液的制备:采用天然鳞片石墨为原料,通过改性Hummers法制备氧化石墨;将制备的氧化石墨在水中超声分散,离心去除未剥离石墨之后,制备氧化石墨烯溶液;(2)氧化石墨烯溶液在液氮中冷淬:将氧化石墨烯溶液与添加了表面活性剂的Fe3O4溶液复合超声后加热煮沸后放入液氮中冷淬,直至完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥,得氧化石墨烯纳米卷;(3)氧化石墨烯纳米卷还原:将干燥的氧化石墨烯纳米卷加热还原或者化学还原,从而得到石墨烯纳米卷复合材料。该发明方法简单易控,制备周期短,可实现石墨烯基复合材料的低成本宏量制备。

Description

一种用于电池中的石墨烯制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯设备领域,特别是指一种用于电池中的石墨烯制备方法。
背景技术
石墨烯作为一种新型碳纳米材料,具有优异的电学和力学性质,可望在锂离子电池中得到使用。但石墨烯由于本身没有明显的电压平台,并不能单独使用,而将其与传统的金属氧化物负极材料复合,可获得兼具高比容量和高稳定性的电极材料。目前,石墨烯与金属氧化物复合的方式有许多种,但是复合结构大多松散,有关其复合界面的机理研究更是相对较少。
因此,以石墨烯与四氧化三铁的复合材料为研究对象,以在不同的复合结构中构筑石墨烯与金属氧化物之间的稳定化学界面为研究目的,通过表面活性剂来改善金属氧化物表面的zeta电位,进而改变其与石墨烯接触界面的性质,实现了石墨烯与金属氧化物间稳定化学界面的构筑,以提高电极材料的导电性,改善复合材料的倍率性能,获得具有非常好倍率性能和循环稳定性的锂离子电池负极材料。
发明内容
本发明提出一种用于电池中的石墨烯制备方法,该方法成本低、流程简单、可实现规模化生产。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种用于电池中的石墨烯制备方法,具体步骤如下:
(1)氧化石墨烯溶液的制备:采用天然鳞片石墨为原料,通过改性Hummers法制备氧化石墨;将制备的氧化石墨在水中超声分散,离心去除未剥离石墨之后,制备氧化石墨烯溶液;
(2)氧化石墨烯溶液在液氮中冷淬:将步骤(1)得到的氧化石墨烯溶液与添加了表面活性剂的Fe3O4溶液复合超声后加热,得混合溶液;待到上述混合溶液煮沸后放入液氮中冷淬,直至完全结冰后将其取出,然后将其进行原位冷冻干燥,得氧化石墨烯纳米卷;
(3)氧化石墨烯纳米卷还原:将干燥的氧化石墨烯纳米卷通过加热还原或者化学还原的方式将其中的含氧官能团去除,从而得到石墨烯纳米卷复合材料。
优选的,所述步骤(1)中天然鳞片石墨石墨尺寸>100μm。
优选的,所述步骤(1)中改性Hummers法制备氧化石墨时,氧化温度为0~90℃,氧化时间为1~10h。
优选的,所述步骤(1)中改性Hummers法制备氧化石墨时,氧化温度为0~35℃,氧化时间为优选为2~4h。
优选的,所述步骤(1)中超声的时间为20s~1h,功率为50~600W;离心的转速为1000~7000rmp,离心时间为1~30min。
优选的,所述步骤(1)中超声的时间为优选为20s~15min,超声功率为优选为400~600W;离心的转速为3000~6000rmp,离心时间为5~15min。
优选的,所述步骤(2)中液氮冷淬所需氧化石墨烯溶液的浓度为0.5~8mg/ml;所述表面活性剂为阴离子表面活性剂,其浓度为0.05~5mg/ml;氧化石墨烯溶液与Fe3O4溶液复合超声后加热的温度为0~100℃;所述原位冷冻干燥时间为8~40h。
优选的,所述步骤(2)中液氮冷淬所需氧化石墨烯溶液的浓度为1~3mg/ml,所述表面活性剂为阴离子表面活性剂,其浓度为0.01~2mg/ml,氧化石墨烯溶液与Fe3O4溶液复合超声后加热的温度为80~100℃;所述原位冷冻干燥时间为10~20h。
优选的,所述步骤(3)中加热还原的加热温度为300~900℃,化学还原为水合肼蒸汽还原,化学还原的时间为8~40h。
优选的,所述步骤(3)化学还原的时间为8~16h。
本发明提供了一种液氮环境下通过石墨烯制备纳米卷的方法,该方法采用大尺寸天然鳞片石墨为原料,利用改性Hummers法对石墨进行氧化,制备大尺寸的氧化石墨烯溶液,将氧化石墨烯溶液和添加了阴离子表面活性剂的氧化石墨烯溶液混合加热,然后在液氮中进行冷淬,制备氧化的炭纳米卷,然后通过加热或者化学还原的方式将氧化炭纳米卷进行还原,从而制备石墨烯纳米卷。将石墨烯纳米卷与金属氧化物进行复合,并通过富含含氧官能团的表面活性剂对氧化物进行修饰,进而与氧化石墨烯表面的含氧官能团结合形成氧桥结构,从而构筑更为稳定的化学界面,提高其锂离子电池的容量与循环稳定性。
本发明的有益效果为:
本发明采用大尺寸天然鳞片石墨,采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯溶液,通过将加热的氧化石墨烯与添加阴离子表面活性剂的氧化石墨烯溶液在液氮中冷淬的方式,制备氧化炭纳米卷,并利用原位冷冻干燥技术得到宏量的炭纳米卷复合材料,本发明反应过程可控,工艺简单、制备周期短、成本低且制备炭纳米卷质量高,可有望实现石墨烯纳米卷复合材料的宏量制备。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)采用32目天然鳞片石墨利用改性的Hummers法制备氧化石墨,鳞片石墨在35℃、2h的条件下制备氧化石墨,将氧化石墨分散在水中,超声的时间为10min,超声功率为600W,然后通过离心转速3000rpm去除可见粒子,得到氧化石墨烯溶液;
(2)采用溶剂热法制备Fe3O4:首先1.35g FeCl3·6H2O溶解在25ml的乙二醇中,并进行搅拌;然后向其中加入2.7g的醋酸钠和1.0g的柠檬酸三钠,搅拌;将混合溶液转移到50ml的聚四氟反应釜中,水热200℃,反应10h。待冷却至室温后,将反应釜打开,将沉淀物用乙醇和蒸馏水反复清洗数次,然后在25℃的真空干燥箱中烘干,干燥后既可以得到Fe3O4纳米颗粒;
将浓度为1mg/ml的氧化石墨烯溶液与1mg/ml Fe3O4溶液超声复合30min后,加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥,干燥后得到氧化石墨烯纳米卷;
(3)再将氧化石墨烯纳米卷在Ar气保护下进行500℃还原,从而得到石墨烯纳米卷复合材料。
本实施例1的石墨烯与氧化铁包裹明显,但氧化铁团聚体粒径分布不均匀,石墨烯包裹片层较厚。
实施例2
氧化石墨烯溶液与Fe3O4纳米颗粒的制备方法同实施例1。
将浓度为1mg/ml的Fe3O4纳米颗粒利用0.5mg/ml的柠檬酸三钠溶液进行表面修饰后,将1mg/ml的氧化石墨烯溶液与1mg/ml的Fe3O4溶液超声复合30min后,加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥,干燥后得到氧化石墨烯纳米卷材料,再将其在Ar气保护下500℃还原,从而得到石墨烯纳米卷氧化铁复合材料。
本是实力2的石墨烯卷曲片层更少,且Fe3O4团聚体粒径在80~100nm范围内分布均匀。
实施例3
氧化石墨烯溶液与Fe3O4纳米颗粒的制备方法同实施例1。
将浓度为1mg/ml的Fe3O4纳米颗粒利用1mg/ml的柠檬酸三钠溶液进行表面修饰后,将1mg/ml的氧化石墨烯溶液与1mg/ml的Fe3O4溶液超声复合30min后,加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥,干燥后得到氧化石墨烯纳米卷,再将其在Ar保护下500℃还原,从而得到石墨烯纳米卷氧化铁复合材料。
本实施例3的石墨烯卷曲片层更少,且Fe3O4团聚体粒径在80~120nm范围内分布均匀。
实施例4
氧化石墨烯溶液与Fe3O4纳米颗粒的制备方法同实施例1。
将浓度为1mg/ml的Fe3O4纳米颗粒利用2mg/ml的柠檬酸三钠溶液进行表面修饰后,将1mg/ml的氧化石墨烯溶液与1mg/ml的Fe3O4溶液超声复合30min后,加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥,干燥后得到氧化石墨烯纳米卷,再将其在Ar保护下500℃还原,从而得到石墨烯纳米卷氧化铁复合材料。
本实施例4的石墨烯卷曲片层更少,且Fe3O4团聚体粒径在100~150nm范围内分布均匀。
实施例5
氧化石墨烯溶液与Fe3O4纳米颗粒的制备方法同实施例1。
将浓度为1mg/ml的Fe3O4纳米颗粒利用1mg/ml的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)进行表面修饰后,将1mg/ml的氧化石墨烯溶液与1mg/ml的Fe3O4溶液超声复合30min后,加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥,干燥后得到氧化石墨烯纳米卷,再将其在Ar保护下500℃还原,从而得到石墨烯纳米卷氧化铁复合材料。
本实施例5的石墨烯纳米卷结构分散更为均匀,且Fe3O4团聚体粒径在80~200nm范围内分布均匀。
实施例6
氧化石墨烯溶液与Fe3O4纳米颗粒的制备方法同实施例1。
将浓度为1mg/ml的Fe3O4纳米颗粒利用1mg/ml的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)进行表面修饰后,将1mg/ml的氧化石墨烯溶液与1mg/ml的Fe3O4溶液超声复合30min后,加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥加热至100℃置入试管中后放入液氮中冷淬,直至溶液完全结冰,然后将其进行原位冷冻干燥,干燥后得到氧化石墨烯纳米卷,再将其在Ar保护下500℃还原,从而得到石墨烯纳米卷氧化铁复合材料。
本实施例6的石墨烯片层堆叠明显,且Fe3O4团聚体粒径大小相差过大,石墨烯纳米卷对Fe3O4的包裹性明显变差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)氧化石墨烯溶液的制备:采用天然鳞片石墨为原料,通过改性Hummers法制备氧化石墨;将制备的氧化石墨在水中超声分散,离心去除未剥离石墨之后,制备氧化石墨烯溶液;
(2)氧化石墨烯溶液在液氮中冷淬:将步骤(1)得到的氧化石墨烯溶液与添加了表面活性剂的Fe3O4溶液复合超声后加热,得混合溶液;待到上述混合溶液煮沸后放入液氮中冷淬,直至完全结冰后将其取出,然后将其进行原位冷冻干燥,得氧化石墨烯纳米卷;
(3)氧化石墨烯纳米卷还原:将干燥的氧化石墨烯纳米卷通过加热还原或者化学还原的方式将其中的含氧官能团去除,从而得到石墨烯纳米卷复合材料。
2.如权利要求1所述的一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中天然鳞片石墨石墨尺寸>100μm。
3.如权利要求1所述的一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中改性Hummers法制备氧化石墨时,氧化温度为0~90℃,氧化时间为1~10h。
4.如权利要求3所述的一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中改性Hummers法制备氧化石墨时,氧化温度为0~35℃,氧化时间为优选为2~4h。
5.如权利要求1所述的一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中超声的时间为20s~1h,功率为50~600W;离心的转速为1000~7000rmp,离心时间为1~30min。
6.如权利要求5所述的一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中超声的时间为优选为20s~15min,超声功率为优选为400~600W;离心的转速为3000~6000rmp,离心时间为5~15min。
7.如权利要求1所述的一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中液氮冷淬所需氧化石墨烯溶液的浓度为0.5~8mg/ml;所述表面活性剂为阴离子表面活性剂,其浓度为0.05~5mg/ml;氧化石墨烯溶液与Fe3O4溶液复合超声后加热的温度为0~100℃;所述原位冷冻干燥时间为8~40h。
8.如权利要求7所述的一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中液氮冷淬所需氧化石墨烯溶液的浓度为1~3mg/ml,所述表面活性剂为阴离子表面活性剂,其浓度为0.01~2mg/ml,氧化石墨烯溶液与Fe3O4溶液复合超声后加热的温度为80~100℃;所述原位冷冻干燥时间为10~20h。
9.如权利要求1所述的一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中加热还原的加热温度为300~900℃,化学还原为水合肼蒸汽还原,化学还原的时间为8~40h。
10.如权利要求9所述的一种用于电池中的石墨烯制备方法,其特征在于,所述步骤(3)化学还原的时间为8~16h。
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