CN104037405A - 一种制备三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于开发一种高储锂容量、导电率高、充电速率快的三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料作为锂离子二次电池负极材料的方法。首先制备纳米三氧化二铁,然后用石墨烯与之复合成Fe2O3/石墨烯复合材料,然后再在此基础上,加入碳纤维,进一步加强此复合负极材料的各种性能,让其储锂能力增强,减小负极材料的内阻。最后得到了一个三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料。

Description

一种制备三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法
一、技术背景
本发明涉及一种制备新型三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料方法,能在锂离子二次电池负极材料上有很大的应用前景。该材料属于新材料、新能源领域。
二、背景技术
自1991年索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池后,锂离子电池就进入了一个高速发展的阶段。锂离子电池以输出功率大、使用寿命长、不含有毒有害物质、安全环保等特点被称为绿色电池。锂离子电池是由正极材料、隔膜材料、负极材料、电解液和外壳等部件组成的。而其中作为锂离子电池主体的电极材料是决定锂离子电池二次电池容量的关键,因此提高锂离子负极材料的储锂能力具有很重要的作用。理论上,中间相碳微球为锂离子电池负极的比容量为372mA/h,而实际值更是低于理论值,远不能满足人们现阶段对电池的需求。
Fe2O3作为过渡金属的,具有理论高容量、低毒性和廉价易得等特,而且关于Fe2O3作为锂离子负极材料的报道早已见诸期刊,其作为电极负极材料的理论比容量为1005mA/h。但是Fe2O3作为负极材料的储锂机理不同,在充放电过程中,体积会发生膨胀变大,产生相应的材料内应力,导致材料易解体、粉化和脱落,最后负极材料储锂能力减小,循环次数锐减,内阻也变大。因此,制备一种高容量Fe2O3负极材料刻不容缓。
石墨烯是世界上最薄(0.34nm)、最强韧的材料,理论比表面积高达2630cm2/g,它的强度是钢材的200倍,与金刚石相当,同时弹性模量又高达1.0TPa。单层石墨烯不属于以往任何一种凝聚态系统,电子在其中的传播失去了有效质量,它的载流子迁移率高达200000cm2/Vs,是硅的100倍。同时石墨烯可以耐受1~2×108A/cm2的电流密度。其中,石墨烯导电率高,可有效提高Fe2O3作为锂离子二次电池电极材料的导电性,同时石墨烯可以缓解Fe2O3在充/放电过程中巨大的体积变化所产生的应力,提高固态电解质界面的稳定性,以提高Fe2O3作为锂离子二次电池负极材料的性能。
碳纤维是将聚丙烯腈等材料的纤维经预氧化、碳化、石墨化、表面处理工艺后制得的含碳量大于90%的碳纤维,直径一般为7~8μm。其弹性模量高达230GPa,其中24K以上的碳纤维每米电阻低于18Ω。如将碳纤维混杂在上述的石墨烯/Fe2O3复合材料之中,可形成以碳纤维为网格骨架,石墨烯/Fe2O3复合材料为内容的均匀分散的网络结构。这样的网络结构,为锂离子进出电极提供了大量顺畅的输运通道,使其可充分与Fe2O3负极材料接触,提高Fe2O3负极材料的利用效率。同时碳纤维和石墨烯的高导电性能够在充放电过程中保证载流子(电子)的快速迁移,达到降低现有电池内阻的目的。
三、发明内容
本发明的目的在于开发一种高储锂容量、导电率高、充电速率快的三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料作为锂离子二次电池负极材料的方法。
本发明是先制备纳米三氧化二铁,然后用石墨烯与之复合成三氧化二铁/石墨烯复合材料,然后再在此基础上,加入碳纤维,进一步加强此复合负极材料的各种性能,让其储锂能力增强,减小负极材料的内阻。最后得到了一个三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料。
本发明采取以下方式来制备三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料:
A,用化学氧化还原法制备出石墨烯;
B,将得到的纳米三氧化二铁按占复合材料总质量的85-90%的比例与石墨烯按占复合材料总质量的0.1-1%的比例,加入到有机溶剂中混合,然后搅拌1-24h,得到氧化铁和石墨烯混合物;
C,对氧化铁和石墨烯的混合物进行超声处理0.5-5h,使之混合更加均匀;
D,将得到的石墨烯和氧化铁混合物和占复合材料总质量10-15%的碳纤维加入无水乙醇溶剂中,继续搅拌1-24h,并超声0.5-5h。
E,用水洗涤混合物,并抽滤或离心分离,40-100℃的温度下鼓风干燥后得到三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料。
本发明与现有技术具有如下优点:
1,该方法发挥了各自成分的优点,提高了锂离子电池负极材料的储锂容量和电子迁移率。
2,制备氧化铁过程中,原料近100%的利用率。
3,石墨烯的还原过程中没有出现有毒气体或者试剂。
4,该制备过程中不排放的废水废气较少,对环境影响较小。
四、附图说明
图1Fe2O3纳米粒子的SEM形貌照片。
图2三氧化二铁/氧化石墨烯/碳纤维复合材料照片。
图3三氧化二铁/氧化石墨烯/碳纤维复合材料照片。
五、具体实施方式
实施例1:取三氧化二铁9g,氧化石墨烯0.1g置于300ml无水乙醇中,搅拌3h,再超声分散5h。将上述混合物加入0.9g碳纤维的无水乙醇溶剂中,继续搅拌3h,接着在1.5K Hz功率下超声分散5h。接着用水洗涤混合物,抽滤分离出复合材料。最后在40℃温度下鼓风干燥后得到三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料。
实施例2:取三氧化二铁8.5g,氧化石墨烯0.15g置于300ml无水乙醇中,搅拌3h,再超声分散2h。将上述混合物加入1.35g碳纤维的乙二醇溶剂中,继续搅拌3h,接着在3K Hz功率下超声分散5h。接着用水洗涤混合物,离心分离出复合材料。最后在40℃的温度下鼓风干燥后得到三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料。

Claims (9)

1.一种制备三氧化二铁/碳纤维/石墨烯复合材料的方法,包括石墨烯和氧化铁的制备两个部分,其特征在于包括以下制备步骤:
1),用化学氧化还原法制备出氧化石墨烯,然后再用气体还原得到石墨烯;
2),将得到的纳米三氧化二铁按占复合材料总质量的85-90%的比例与石墨烯按占复合材料总质量的0.1-1%的比例,加入到有机溶剂中混合,然后搅拌1-24h,得到氧化铁和石墨烯混合物;
3),对氧化铁和石墨烯的混合物进行超声处理0.5-5h,使之混合更加均匀;
4),将得到的石墨烯和氧化铁混合物和占复合材料总质量10-15%的碳纤维加入无水乙醇溶剂中,继续搅拌1-24h,并超声0.5-5h。
5),用水洗涤混合物,并抽滤或离心分离,40-100℃下鼓风干燥后得到三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料。
2.如权利要求1中所述三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法,其特征在于步骤1)中,所述的氧化石墨烯的制备方法包括Hummers、Brodie和Staudenmaier等方法。
3.如权利要求1中所述三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法,其特征在于步骤1)中,所述用的石墨粉为大小在300目以上的鳞状石墨、致密结晶状石墨和隐晶质石墨。
4.如权利要求1中所述三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法,其特征在于步骤1)中,所述气体为氢气、氮气、氩气或者氢气、氮气和氩气任意比例的混合气体。
5.如权利要求1中所述三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法,其特征在于步骤2)中,所述有机溶剂包括乙二醇、无水乙醇、丙酮、乙酸乙酯。
6.如权利要求1中所述三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法,其特征在于步骤2)中,所述的三氧化二铁为专利“一种纳米粉体及其分散液分级制备装置”中的设备所制备的,其专利号:201210006308.8,且三氧化二铁粒径大小在60-600nm左右,纯度在99%以上。
7.如权利要求1中所述三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法,其特征在于步骤4)中,所述碳纤维是指聚丙烯腈碳纤维,直径为7-8μm,长度为2-6000μm。
8.如权利要求1中所述三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法,其特征在于步骤4)中,所述碳纤维是指聚丙烯腈碳纤维,其导电性为0.1-0.5Ω/cm。
9.如权利要求1中所述三氧化二铁/石墨烯/碳纤维复合材料的方法,其特征在于步骤4)中,所述超声频率为15K-47M Hz。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20140910

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