CN102496721A - 一种石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料及制备方法。当前商用锂电池负极材料存在比容量低、有机溶剂共嵌入不足等问题。本发明采用静电喷雾沉积装置，将石墨烯和硝酸亚锡混合，超声分散溶解在乙醇:乙二醇:1,2-丙二醇溶剂中，形成浓度为0.005mol·L^-1~0.02mol·L^-1的金属阳离子前躯体溶液，将该溶液匀速流向喷雾头，调节针头到基片的距离，加热基片，调节喷雾头与基片间的直流高压，以获得稳定均匀的气溶胶喷雾，石墨烯和二氧化锡以直接化学键合或机械混合的方式在基片材料上形成三维网状结构。该薄膜可用作锂离子电池负极，具有高的首次库伦效率，以及优异的电化学储锂性能和循环性能。

Description

一种石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料及制备方法

技术领域

本发明属于储能材料和纳米材料技术领域，特别涉及石墨烯复合的具有高循环稳定性能、高放电功率的三维网状或实心状锂离子电池负极薄膜材料的制备方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的重要基础。随着以一次能源为主的能源开发利用模式与生态环境之间矛盾的日益激化，人们对于新型高效绿色能源的需求就变的越来越迫切。近年来，锂离子电池由于其高的比容量和供电电压、宽的工作温度以及良好的环境相容性等优点受到格外的关注。目前，锂离子电池正逐步从小型便携式电器的应用中扩展到高容量、大功率的动力电池的应用领域。锂离子电池的负极材料作为储锂的主体，很大程度上决定了电池的容量以及工作功率。当前商用的锂电池的负极材料一般采用包括天然石墨、改性石墨、软炭等石墨化和无定型碳材料，它们存在比容量低、首次充放电效率低、有机溶剂共嵌入不足等很多不足，难以满足未来高容量、大功率动力电池的应用；而其他的一些非碳负极材料，如Sn、SnO₂、CoO、MnO₂等材料，由于在充放电过程中大的体积变化导致了电极的破坏，从而不能保证良好的循环稳定性能。因此，探索具有高放电功率，高循环稳定性能的新型电池负极材料就成为锂电池发展的一个非常迫切的需要。

作为一种新型的二维碳纳米结构，石墨烯自发现以来，受到了广泛的关注。其优异的电导性能、独特的二维纳米层状结构以及巨大的比表面为非碳基负极材料的改性提供了一个新的方向；同时，氧化石墨烯和石墨烯容易制备，成本低，可在水溶液或有机溶液中大量分散，也为它与其他负极材料的复合提供了很大的便利。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料及制备方法，从而克服传统的纯二氧化锡负极的材料缺陷。

本发明的石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料，具有三维网状结构特征：石墨烯和二氧化锡以直接化学键合或机械混合的方式共同在基片材料上形成三维网状结构。

所述的基片材料为多孔泡沫镍，或多孔泡沫铜，或铝箔、铜箔、不锈钢片等。

本发明的石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料制备方法，采用静电喷雾沉积装置实现，静电喷雾沉积装置包括前驱物溶液、计量泵、残液回收瓶、直流高压发生装置、喷雾针头、基片、热电偶和加热台。

本发明方法具体实施步骤如下：

步骤(1).将硝酸亚锡和石墨烯按照最终薄膜所需组分混合，即硝酸亚锡:石墨烯=(78                                                93.5)wt%:(22

6.5)wt%，将硝酸亚锡和石墨烯的混合物溶解在混合溶剂中，形成金属阳离子浓度为0.005mol/L

0.02mol/L的前驱物溶液；

所述的硝酸亚锡可以替换为醋酸锡；

所述的混合溶剂由乙醇、乙二醇、1,2-丙二醇按2:1:2的体积混合而成；

步骤(2).将前驱物溶液在计量泵的控制下以2ml/h

5ml/h匀速流向喷雾针头，将喷雾针头和基片的距离调节为2 cm

6cm，通过热电偶和加热台加热基片，加热温度控制在175 ^oC

300^oC，通过直流高压电源发生装置调节喷雾针头与基片间的直流电压，将电压控制在12KV

18KV之间，以获得稳定均匀的前驱物溶液喷雾，将前驱物溶液喷雾控制在1h10h之间，进而获得厚度为1μm

10μm的石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料, 石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料中二氧化锡与石墨烯的质量比为 (70

90)wt%:(30

10)wt%。

本发明具如下有益效果：

本发明采用的静电喷雾沉积装置制备石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料，在常温大气中操作，无需真空和气氛保护等，石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料厚度通过沉积时间简便可控，且可直接进行电池组装，免去了传统负极粉体材料需要添加导电剂和粘合剂等复杂工艺过程，简化了操作步骤。本发明采用静电喷雾形成气溶胶的方式，使得二氧化锡和石墨烯的复合更为简便，制得的复合薄膜更为均一。

本发明合成的石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料具有三维网孔状结构，十分有利于锂离子的输运扩散，同时增强了薄膜和基片的链接；石墨烯和SnO₂的三维复合，充分结合了石墨烯的高比表面和高电导率的优势，有效地缓解了SnO₂电极在充放电循环中的体积变化，大大提高了电极的比容量和循环性能。

附图说明

图1 是采用的静电喷雾沉积装置结构示意图；

图2 是石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料的扫描电镜照片；

图3 是本发明实施例1中的电化学性能图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

如图1所示，本发明的石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料制备方法，是采用静电喷雾沉积装置实现，静电喷雾沉积装置包括前驱物溶液1、计量泵2、残液回收瓶3、直流高压发生装置4、喷雾针头5、基片6、热电偶7和加热台8。

所述的静电喷雾沉积装置使用硅胶软管连接前驱体溶液1，计量泵2和喷雾针头5，通过残液回收瓶3收集喷雾时滴落的残留溶液。热电偶7固定在基片6和加热台8中间，在喷雾针头5和基片6中间连接直流高压发生装置4，基片6接地。

 如图2 所示，本发明合成的石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料具有三维网状结构特征：石墨烯和二氧化锡以直接化学键合或机械混合的方式共同在基片材料上形成三维网状结构。

实施例1：

（1）将硝酸亚锡和石墨烯按86.5 wt%:13.5 wt%混合，溶解在乙醇/乙二醇/1,2-丙二醇(体积比为2:1:2)的混合溶剂中，形成金属阳离子浓度为0.005mol/L的前躯物溶液。

（2）将前躯物溶液以3ml/h匀速通过计量泵流向喷雾针头，调节喷雾针头到基片的距离为4cm，通过热电偶反馈控制加热台使基片恒温在175^oC，通过直流高压发生装置调节加在喷雾针头与基片间的直流电压在15KV获得稳定均匀的喷雾，控制喷雾时间为180min，获得二氧化锡-石墨烯复合薄膜负极。

（3）采用双电极组成的锂电池体系，测定电极的充放电循环：将高纯锂片作为负极，二氧化锡-石墨烯复合薄膜作为正极，1mol/L的LiPF₆+EC+DEC（EC和DEC体积比为1:1）作为电解液，Celgard 2300为隔膜，电池装配在充氩气的手套箱中进行，电池充放电实验在新威（Neware）电池测试系统上进行。

（4）图3为本实施例1的电极膜在电压范围3.00

0.01V，放电速率为200mAh/g时，循环数和放电比容量关系图。曲线上首次放电比容量为2134mAh/g，首次放电容量损失率为32.4%，在经过80个循环后，稳定放电容量仍可达到600mAh/g。 

实施例2：

（1） 将醋酸锡和石墨烯按85 wt%:15 wt%的质量比混合，溶解在乙醇/乙二醇/1,2-丙二醇(体积比为2:1:2)的混合溶剂中，形成金属阳离子浓度为0.005mol/L的前躯物溶液；

（2）将前躯物溶液以3ml/h匀速流向喷雾针头，调节喷雾针头到基片的距离为4cm，控制加热基片恒温在250^oC，调节加在喷雾针头与基片间的直流电压在16KV获得稳定均匀的喷雾，控制喷雾时间为240min，获得复合薄膜负极。

（3）采用双电极组成的锂电池体系，测定电极的充放电循环：将高纯锂片作为负极，二氧化锡-石墨烯复合薄膜作为正极，1mol/L的LiPF₆+EC+DEC（EC和DEC体积比为1:1）作为电解液，Celgard 2300为隔膜，电池装配在充氩气的手套箱中进行，电池充放电实验在新威（Neware）电池测试系统上进行。

（4）在电压范围3.000.01V，放电速率为400mAh/g时首次放电比容量为1172mAh/g，首次放电容量损失率仅为11.3%，在经过50个循环后，稳定放电容量仍可达到540mAh/g。

实施例3：

（1）将硝酸亚锡和石墨烯按78 wt%:22 wt%的质量比混合，溶解在乙醇/乙二醇/1,2-丙二醇(体积比为2:1:2)的混合溶剂中，形成金属阳离子浓度为0.01mol/L的前躯物溶液；

（2）将前躯物溶液以4ml/h匀速流向喷雾针头，调节喷雾针头到基片的距离为4cm，控制加热基片恒温在250^oC，调节加在喷雾针头与基片间的直流电压在18KV获得稳定均匀的喷雾，控制喷雾时间为120min，获得复合薄膜负极；

（3）采用双电极组成的锂电池体系，测定电极的充放电循环：将高纯锂片作为负极，二氧化锡-石墨烯复合薄膜作为正极，1mol/L的LiPF₆+EC+DEC（EC和DEC体积比为1:1）作为电解液，Celgard 2300为隔膜，电池装配在充氩气的手套箱中进行，电池充放电实验在新威（Neware）电池测试系统上进行。

（4）在电压范围3.00-0.01V，放电速率为200mAh/g时首次放电比容量为2026mAh/g，首次放电容量损失率为39.3%，在经过50个循环后，稳定放电容量仍可达到632mAh/g。

实施例4：

（1）将硝酸亚锡和石墨烯按93.5 wt%:6.5 wt%的质量比混合，溶解在乙醇/乙二醇/1,2-丙二醇(体积比为2:1:2)的混合溶剂中，形成金属阳离子浓度为0.02mol/L的前躯物溶液；

（2）将前躯物溶液以2ml/h匀速流向喷雾针头，调节喷雾针头到基片的距离为6cm，控制加热基片恒温在300^oC，调节加在喷雾针头与基片间的直流电压在12KV获得稳定均匀的喷雾，控制喷雾时间为300min，获得复合薄膜负极

（3）采用双电极组成的锂电池体系，测定电极的充放电循环：将高纯锂片作为负极，二氧化锡-石墨烯复合薄膜作为正极，1mol/L的LiPF₆+EC+DEC（EC和DEC体积比为1:1）作为电解液，Celgard 2300为隔膜，电池装配在充氩气的手套箱中进行，电池充放电实验在新威（Neware）电池测试系统上进行。

（4）在电压范围3.00-0.01V，放电速率为200mAh/g时首次放电比容量为1661mAh/g，首次放电容量损失率仅为30.1%，在经过100个循环后，稳定放电容量仍可达到450mAh/g。

本发明不局限于上述具体实施例，上述实施例是对于本发明工艺步骤的详细表述，本发明技术领域的研究人员可以根据上述实施例的步骤作出形式和内容方面非实质性的改变，但不偏离本发明所实质保护的范围。

Claims (1)

1.一种石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料及制备方法，其特征在于如下步骤：

步骤(1).将硝酸亚锡和石墨烯按照最终薄膜所需组分混合，即硝酸亚锡:石墨烯=(78                                               

93.5)wt%:(22

6.5)wt%，将硝酸亚锡和石墨烯的混合物溶解在混合溶剂中，形成金属阳离子浓度为0.005mol/L

0.02mol/L的前驱物溶液；

所述的硝酸亚锡可以替换为醋酸锡；

所述的混合溶剂由乙醇、乙二醇、1,2-丙二醇按2:1:2的体积混合而成；

步骤(2).将前驱物溶液在计量泵的控制下以2ml/h

5ml/h匀速流向喷雾针头，将喷雾针头和基片的距离调节为2 cm

6cm，通过热电偶和加热台加热基片，加热温度控制在175 ^oC

300^oC，通过直流高压电源发生装置调节喷雾针头与基片间的直流电压，将电压控制在12KV

18KV之间，以获得稳定均匀的前驱物溶液喷雾，将前驱物溶液喷雾控制在1h

10h之间，进而获得厚度为1μm

10μm的石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料, 石墨烯基复合锂离子电池薄膜负极材料中二氧化锡与石墨烯的质量比为 (70

90)wt%:(30

10)wt%。

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