CN102779985A - 一种石墨烯改性碳负极材料及其制备方法 - Google Patents

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宋怀河
王晨
陈晓红
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Abstract

本发明提供了一种石墨烯改性碳负极材料及其制备方法。石墨烯具有非常大的比表面积，可以通过面接触的形式形成导电网络，对碳负极材料进行改性，能够提高其导电性和循环稳定性，能够直接应用于锂离子电池负极而不需要导电剂，与改性前的碳负极材料相比，比容量提高70％以上。此外，该方法工艺简单，安全性高，对石墨烯的制备方法没有额外要求，有极大的实用价值。

Description

一种石墨烯改性碳负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯改性锂电池负极材料领域，特别涉及一种石墨烯改性碳负极材料和制备方法。
背景技术：
锂离子电池具有能量密度高，输出电压高，输出功率大，环境友好等优点，是一种高比能量的绿色二次电池，可被广泛应用于笔记本电脑、电动汽车等方面。锂离子电池的充放电过程伴随着锂离子和电子传递转移，这就要求负极材料既要有良好的导电性，形成导电网络，又要与活性物质、集流体具有良好的界面接触，保证循环过程的稳定和连续。目前锂离子电池负极材料大多为碳材料，由于碳材料种类繁多，性能提升空间大，因而研究高性能低成本的碳负极材料是改善锂离子电池性能和降低电池成本的有效途径之一。
直接应用天然石墨做负极材料稳定性差，比容量低，50次循环后之后放电比容量只有200mAh/g，实际生产中需要加入导电添加剂，并通过氧化、还原、包覆等表面改性或机械处理的方法来提高其循环性能[毛文曲.锂离子二次电池石墨负极材料的改性研究[D].浙江：浙江大学，2006]。这些方法成本高，操作复杂，改性效果有限，亟需一种便捷有效的新方法提高碳负极材料的性能。
石墨烯是目前国际上的研究热点，因其独特的结构赋予了它非常优异的性能：比表面积2630m2/g，导电性堪比铜，热导率达5000Wm-1·K-1，导热性比目前已知的任何材料都好。它的导电性和储锂能力也不容小觑[EunJoo Yoo，et al.Large Reversible Li Storage of Graphene Nanosheet Families for Use inRechargeable Lithium Ion Batteries[J]，Nano Letters，2008，8(8)：2277-2282]。然而作为一种新兴的材料，石墨烯自团聚的问题一直无法很好的解决。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种石墨烯改性碳负极材料。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种石墨烯改性碳负极材料，按如下重量百分比组成：石墨烯5％～20％，碳负极材料80％～95％。
本发明的进一步优选方案是：所述碳负极材料选自天然石墨、人造石墨、纳米石墨或中间相沥青炭微球中的一种。
本发明的另一目的是提供了一种石墨烯改性碳负极材料的制备方法，其特征在于按下述方法制备：
按照质量比1∶4～1∶19比例称取石墨烯和碳负极材料，然后将石墨烯加入无水乙醇中并超声20min～60min分散形成石墨烯悬浮液，在磁力搅拌条件下将碳负极材料加入石墨烯悬浮液中，连续搅拌16～48h使其充分混合均匀，然后烘干，在328～528rpm转速下球磨3～9h，即得石墨烯改性碳负极材料。
石墨烯具有非常大的比表面积，与常用的碳负极材料掺杂后，其独特的面接触形式有利于形成更稳定的导电网络，降低电阻率，提高导电性，保证循环过程中导电结构的完整和连续，进而保证电极材料具有较高的容量和良好的循环稳定性。
通过石墨烯掺杂改性可以提高碳负极材料的电化学稳定性，并且无需添加导电剂，同时碳负极材料通过静电吸附以及隔离作用使石墨烯以近单片层形式发挥作用，避免了石墨烯材料在充放电过程中的团聚问题，使得石墨烯的比表面积可以得到充分利用。使用本发明制备的石墨烯改性碳负极材料，在相同用量下与单独的碳材料相比，在电流密度为0.2mA/cm2时，比容量提高20～73％，从240mAh/g提高到400mAh/g。
附图说明
附图1为石墨烯改性碳负极材料的扫描电镜图。
附图2为石墨烯改性天然石墨负极材料的循环放电图。
附图3为石墨烯改性中间相沥青炭微球的循环放电图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
按照质量比1∶19比例称取5mg石墨烯粉末和95mg天然石墨材料，然后将石墨烯加入无水乙醇中并超声20min分散形成石墨烯悬浮液，在磁力搅拌条件下将碳负极材料加入石墨烯悬浮液中，连续搅拌48h使其充分混合均匀，然后烘干，在328rpm转速下球磨9h。即得石墨烯改性天然石墨负极材料。
如附图1石墨烯改性碳负极材料扫描电镜(SEM)图所示，石墨烯被天然石磨材料有效的分隔开，同时石墨烯材料独特的面接触形式也可以形成更稳定的导电网络。
如附图2电化学性能测试结果表明，该复合材料材料测得在电流密度为0.2mA/cm2时的放电容量为291mAh/g。
实施例2
按照质量比1∶10比例称取10mg石墨烯粉末和90mg天然石墨材料，然后将石墨烯加入无水乙醇中并超声40min分散形成石墨烯悬浮液，在磁力搅拌条件下将碳负极材料加入石墨烯悬浮液中，连续搅拌36h使其充分混合均匀，然后烘干，在428rpm转速下球磨6h。即得石墨烯改性天然石墨负极材料。
如附图2电化学性能测试结果表明，该复合材料材料测得在电流密度为0.2mA/cm2时的放电容量为342mAh/g。
实施例3
按照质量比1∶4比例称取10mg石墨烯粉末和40mg天然石墨材料，然后将石墨烯加入无水乙醇中并超声60min分散形成石墨烯悬浮液，在磁力搅拌条件下将碳负极材料加入石墨烯悬浮液中，连续搅拌16h使其充分混合均匀，然后烘干，在528rpm转速下球磨3h。即得石墨烯改性天然石墨负极材料。
如附图2电化学性能测试结果表明，该复合材料材料测得在电流密度为0.2mA/cm2时的放电容量为404mAh/g。
实施例4
操作方法同实施例1，不同之处在于将天然石磨换为中间相沥青炭微球。如附图3电化学性能测试结果表明，该复合材料材料测得在电流密度为0.2mA/cm2时的放电容量为325mAh/g。
实施5
操作方法同实施例2，不同之处在于将天然石磨换为中间相沥青炭微球。
如附图3电化学性能测试结果表明，该复合材料材料测得在电流密度为0.2mA/cm2时的放电容量为344mAh/g。
实施例6
操作方法同实施例3，不同之处在于将天然石磨换为中间相沥青炭微球。
如附图3电化学性能测试结果表明，该复合材料材料测得在电流密度为0.2mA/cm2时的放电容量为418mAh/g。
以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种石墨烯改性碳负极材料，其特征在于：按如下重量百分比组成：石墨烯5％～20％，碳负极材料80％～95％。
2.如权利要求1所述石墨烯改性碳负极材料，其特征在于：所述碳负极材料选自天然石墨、人造石墨、纳米石墨或中间相沥青炭微球中的一种。
3.一种制备权利要求1至2所述石墨烯改性碳负极材料的方法，其特征在于按下述方法制备：
按照质量比1∶4～1∶19比例称取石墨烯和碳负极材料，然后将石墨烯加入无水乙醇中并超声20min～60min分散形成石墨烯悬浮液，在磁力搅拌条件下将碳负极材料加入石墨烯悬浮液中，连续搅拌16～48h使其充分混合均匀，然后烘干，在328～528rpm转速下球磨3～9h，即得石墨烯改性碳负极材料。
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