CN102881907A

CN102881907A - 一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法

Info

Publication number: CN102881907A
Application number: CN2012103913629A
Authority: CN
Inventors: 张海明; 李秋红; 王太宏; 陈立宝
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明提供了一种基于静电喷雾沉积技术制备锂离子电池用石墨烯基复合材料的方法，属于新一代能源存储领域。包括以下步骤：清洗集流体，放在加热板上；将氧化石墨烯的水溶液、活性材料分散于水、乙醇、乙二醇、丙二醇的混合溶液，搅拌超声、均匀后转移至注射器中。注射器与基板间加10~20kV的高压静电场，以3~15ml/h的推进速度进液，加热板加热温度在200~300℃；将负载氧化石墨烯-活性材料的集流体在氩氢气下煅烧。本发明解决了常规化学法制备石墨烯基复合材料过程中的团聚问题。活性材料直接负载在集流体上，改善了材料与集流体的接触，有利于电解质离子在材料中的嵌入/脱出。本发明过程简单，一次成型，易于大规模生产，具有很高的实用价值。

Description

一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法

技术领域

本发明属于新一代能源存储领域，特别涉及一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法。

背景技术

当今随着信息技术的发展，笔记本电脑、手提电话、数码相机、蓝牙通讯电器等移动电子器件与设备(包括野战通讯设备)对高能量密度、高电压二次电池的要求越来越高，使二次电池成为当前新能源发展的重要方向之一，而锂离子二次电池由于具有比能量高、使用寿命长、无公害、无记忆效应、容量大、重量轻等一系列优点，从众多二次电池中脱颖而出，成为二次电源中研究的热点。

纳米级的粒子具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，展现出许多特有的性质，在超级电容器领域有广阔的应用。纳米粒子由于存在较大的比表面积，容易发生局部团聚，严重制约了其性能。石墨烯由于具有超高的导电率和比表面积及良好的化学稳定性，自其于2004年被发现一来，便引起了全球的研究热潮。石墨烯制备的常用方法为氧化还原法。氧化后的石墨烯，其表面存在大量的含氧基团，为其他粒子的结合提供了有效位点，这种结合可以有阻止纳米粒子的团聚。但是，常规制备石墨烯复合材料的方法过程复杂，制备周期长，而且通过直接在溶液中通过加还原剂的方法还原氧化石墨烯往往会发生不可逆的团聚，这种团聚严重影响了石墨烯及其复合材料的性能(Huang, Y., et al., Small, 2012.8:1805)。

现有的制备石墨烯复合材料的技术中，专利CN 102176382 A公布了一种石墨烯-量子点复合薄膜的制备方法，该方法包括制备氧化石墨烯、氧化石墨烯-量子点混合、还原、抽滤、固定、烘干、融掉滤膜等步骤，这种方法步骤繁琐，周期长。专利CN 102175729 A 公布了一种功能化石墨烯与纳米粒子层层组装的方法制备石墨烯复合材料，其步骤包括制备小分子的复合物、小分子与石墨烯复合、固定在电极上、重复上述步骤制备多层复合材料，这种方法石墨烯需要进行功能化，这个过程比较复杂，不具有普适性；在制备多层复合材料的时候需要重复进行复合和固定，操作复杂，周期长。专利102185155 A 提供了一种纳米磷酸铁中空球/石墨烯复合从材料的制备方法，该方法采用水热反应，能耗较高。并且该方法制备好复合材料后，要加入导电剂、粘结剂制成浆料。这种方法不仅复杂，而且粘结剂的使用会增加材料的电阻、使活性物质的有效表面积减小，从而导致容量降低。专利 102214816 A提供了一种制备锂离子电池用硫化钨-石墨烯复合材料电极的制备方法，这种方法采用250~290℃水热反应，耗能高。而且制备好活性材料后要加入导电剂、粘结剂制成浆料。这种方法不仅复杂，而且粘结剂的使用会增加材料的电阻、使活性物质的有效表面积减小，从而导致容量降低。因此，研究人员都在寻在一种简单有效的方法制备无团聚的的石墨烯及其复合材料。本文中通过一步法，采用静电喷雾沉积技术将石墨烯与活性材料直接喷在集流体上。该方法简单、有效、节能、环保、普适，具有很高的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法。本发明采用静电喷雾沉积技术制备出直接负载在集流体上的氧化石墨烯/活性材料复合薄膜，再在高温氩氢气下把氧化石墨烯还原为石墨烯。这种方法能有效解决常规石墨烯制备过程中的团聚、复合材料与基底结合不牢固、常规复合材料导电性差、易粉化、充放电体积变化大和循环性能差的问题。

本发明提供了一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法，包括以下步骤;

（1）清洗集流体，放在加热板上。

（2）将20~50mg氧化石墨烯的水溶液、40~500mg活性材料分散于2~5ml水、5~20ml乙醇、10~40ml乙二醇、10~40ml丙二醇的混合溶液，搅拌超声、均匀后转移至注射器中。注射器与基板间加10~20kV的高压静电场，以3~15ml/h的推进速度进液，加热板加热温度在200~300℃。

（3）将负载氧化石墨烯-活性材料的集流体在氩氢气下300~700℃煅烧，得到石墨烯-活性材料/集流体复合材料。

本发明有以下增益效果:

1.针对常规制备石墨烯基复合材料过程中，石墨烯容易团聚的缺点。本发明采用经典喷雾沉积技术制备石墨烯基复合材料薄膜，氧化石墨在还原、干燥的过程中，在电极上自组装成多孔结构，防止了石墨烯的团聚。这种简单、高效的制备方法具有很高的应用价值。

2.针对常规电极制备过程所使用的粘结剂会降低活性材料电导率，减少活性材料与电解液的浸润性的问题。本发明采用静电喷雾沉积技术直接将氧化石墨烯基活性材料薄膜沉积在集流体表面，这改善了活性材料与复合表面的接触，增强电子传输，有利于电解质离子在活性材料中的嵌入/脱出。此外，该材料一次性合成，方法简单，反应原料成本低廉，高效快速，易于推广。

附图说明

图1 放大120倍的泡沫镍负载石墨烯/氧化镍复合材料的扫描电子显微镜图。

图2 放大25000倍的泡沫镍负载石墨烯/氧化镍复合材料的扫描电子显微镜图。

图3 泡沫镍负载石墨烯/氧化镍复合材料的投射电子显微镜图。

具体实施方式

下面通过借助实例更加详细地说明本发明，但以下实例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明：

实施例1

将泡沫镍裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片泡沫镍放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg醋酸镍分散于5ml水、20ml乙醇和20ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-氧化镍的泡沫镍在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-氧化镍/泡沫镍复合材料。图1为放大120倍的泡沫镍负载石墨烯/氧化镍的扫描电子显微镜图片。图2为放大25000倍的石墨烯/氧化镍的扫描电子显微镜图片。可以看到石墨烯表现出如同薄纱状的褶皱，并没有团聚成大块状。图3为投射电子显微镜图片，可以看到氧化镍颗粒很小，仅5nm左右。

实施例2

将泡沫镍裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片泡沫镍放在加热板上。将20mg氧化石墨烯分散于5ml水、20ml乙醇和20ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯的泡沫镍在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯/泡沫镍复合材料。这个方案中仅使用氧化石墨，未添加其他活性材料。所得到的薄膜如同实施例1中的薄纱状。

实施例3

将铜箔裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片铜箔放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg醋酸镍分散于5ml水、20ml乙醇和200ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为200℃。将负载氧化石墨烯-氧化镍的铜箔在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-氧化镍/铜箔复合材料。这个方案中采用铜箔作为集流体，加热板温度降低到200℃，其他均未做更改。得到了如实例1中薄纱状的石墨烯/氧化镍复合材料。

实施例4

将铝箔裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片铝箔放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg醋酸镍分散于5ml水、20ml乙醇和200ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-氧化镍的铝箔在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-氧化镍/铝箔复合材料。这个方案中采用铝箔作为集流体，其他均未做更改。得到了如实例1中薄纱状的石墨烯/氧化镍复合材料。

实施例5

将不锈钢片依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片不锈钢片放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg醋酸镍分散于5ml水、20ml乙醇和200ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-氧化镍的不锈钢在氩氢气下700℃煅烧，得到石墨烯-活性材料/集流体复合材料。这个方案中采用不锈钢片作为集流体，煅烧温度提高到700℃，其他均未做更改。得到了如实例1中薄纱状的石墨烯/氧化镍复合材料。

实施例6

将碳布裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片碳布放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg醋酸镍分散于5ml水、20ml乙醇和200ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-氧化镍的碳布在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-氧化镍/碳布复合材料。这个方案中采用碳布作为集流体，其他均未做更改。得到了如实例1中薄纱状的石墨烯/氧化镍复合材料。

实施例7

将泡沫镍裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片泡沫镍放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg硅粉分散于5ml水、20ml乙醇和200ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-硅粉的泡沫镍在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-硅粉/泡沫镍复合材料。这个方案中采用硅粉作为活性材料，其他均未做更改。也可以的到实例1中薄纱状的复合材料。但由于硅颗粒较大，扫描电子显微镜图片中可以看到颗粒状的硅。

实施例8

将泡沫镍裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片泡沫镍放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg二硫化锡纳米颗粒分散于5ml水、20ml乙醇和200ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-二硫化锡的泡沫镍在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-二硫化锡/泡沫镍复合材料。这个方案中采用二硫化锡作为活性材料，其他均未做更改。也可以的到实例1中薄纱状的复合材料。

实施例9

将泡沫镍裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片泡沫镍放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、500mg醋酸镍分散于5ml水、20ml乙醇和20ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-活性材料的集流体在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-氧化镍/泡沫镍复合材料。这个方案采用较高的活性材料比例，其他均未做更改。得到的复合薄膜成褶皱的薄纱状，从扫描电子显微镜中可以看到大量的氧化镍颗粒。

实施例10

将泡沫镍裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片泡沫镍放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg醋酸镍分散于2ml水、10ml乙醇和30ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-氧化镍的泡沫镍在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-氧化镍/泡沫镍复合材料。这个方案，改变了溶剂的配比，其他均未做更改，得到的复合薄膜同实施例1中褶皱的薄纱状。

实施例11

将泡沫镍裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片泡沫镍放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg醋酸镍分散于5ml水、20ml乙醇和20ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加20kV的高压静电场，以10ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-氧化镍的泡沫镍在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-氧化镍/泡沫镍复合材料。这个方案加快了进液速度，其他均未作更改，得到的石墨烯复合材料比实施例1中的样品厚，也成褶皱状。

实施例12

将泡沫镍裁剪成统一面积（4cm x 4cm），依次在丙酮、乙醇、水中超声清洗干净。取一片泡沫镍放在加热板上。将20mg氧化石墨烯、240mg醋酸镍分散于5ml水、20ml乙醇和20ml乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后转移至注射器中。注射器与加热板间加15kV的高压静电场，以3ml/h的推进速度进液，加热板加热温度为250℃。将负载氧化石墨烯-氧化镍的泡沫镍在氩氢气下300℃煅烧，得到石墨烯-氧化镍/泡沫镍复合材料。这个方案中，改变了高压静电场的大小，得到的石墨烯复合材料成实施例1中的褶皱状，但复合薄膜在集流体上的沉积面积比实施例1中的要大。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)清洗集流体，放在加热板上。

2)将20~50mg氧化石墨烯的水溶液、40~500mg活性材料分散于2~5ml水、5~20ml乙醇、10~40ml乙二醇、10~40ml丙二醇的混合溶液，搅拌超声、均匀后转移至注射器中。注射器与基板间加10~20kV的高压静电场，以3~15ml/h的推进速度进液，加热板加热温度在200~300℃。

3)将负载氧化石墨烯-活性材料的集流体在保护气下300~700℃煅烧，得到石墨烯-活性材料/集流体复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述集流体为金属集流体和碳材料集流体。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活性材料为氧化钼、氧化锰、氧化铜、氧化镍、氧化铁、四氧化三钴、二氧化锡、硫化钼、硫化锰、硫化铜、硫化镍、硫化铁、硫化钴、二硫化锡、硅、硫、硒、锗中一种或一种以上。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述2~5ml水、5~20ml乙醇、10~40ml乙二醇、10~40ml丙二醇的混合溶液。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活性材料与氧化石墨烯的质量比为2~25.

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高压静电场为10~20kV。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述注射器推进速度为3~15ml/h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基板加热温度为200~300摄氏度。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，煅烧温度为300~700℃，煅烧时间1~7h。

10.根据权利要求1-9之一所述的石墨烯-活性材料/集流体复合材料，用于锂离子电池。