CN104577125A - 一种石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯复合材料的制备方法，包括加入聚乙二醇单全氟壬烯基醚制备改性石墨烯的水分散液；用含硫溶液、碳纳米管制备石墨烯复合膜以及对石墨烯复合膜进行梯度结晶处理。上述技术方案中，通过加入聚乙二醇单全氟壬烯基醚使得石墨烯水分散液稳定性好、产量高，纳米硫颗粒均匀分散在还原得到的石墨烯的表面，有利于石墨烯复合材料作为锂电池正极材料时充分发挥石墨烯的高导电性、稳定性，提高石墨烯复合材料作为锂电池正极的能量密度性能，改善电池的功率特性；另外，通过掺入碳纳米管，其可提高石墨烯复合材料的导热、导电、强度性能。

Description

一种石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及新材料生产领域，具体涉及一种石墨烯复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯是已知刚度最大的材料之一，杨氏模量为1TPa，使其成为用作高性能复合材料增强物的理想候选材料。锂离子电池与常用的其他类型二次电池相比，因其具有很高的质量比能量和体积比能量具有很大的优势，吸引了广泛的关注。通过将硫与石墨烯复合的材料用于生产锂正极极，用于解决锂电池充放电中间产物的溶解问题以及提高电池的循环性能。但是在生产过程中还是存在如下缺点，石墨烯大量团聚、产率低，材料形貌不可调控，同时复合材料的导热、导电、强度、能量密度等性能较差。
发明内容
本发明的目的就是提供一种石墨烯复合材料的制备方法，其可有效解决上述问题，生产过程中石墨烯分散性好、产量高，材料形貌可控，且制得的复合材料的导热、导电、强度、能量密度性能优异。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种石墨烯复合材料的制备方法，包括如下操作步骤：
S1：取石墨粉、硝酸钠和浓硫酸按照一定体积比混匀，然后加入5倍石墨粉质量的高锰酸钾先10℃反应1.5h、后25℃反应2h制得氧化石墨烯浆料，将前述浆料水洗至中性并干燥制得氧化石墨烯，将氧化石墨烯配制成8mg/mL的氧化石墨烯水溶液；向上述氧化石墨烯水溶液中加入聚乙二醇单全氟壬烯基醚混匀后再加入水合肼90℃搅拌反应3h；反应结束后洗涤、抽滤得到改性石墨烯；将改性石墨烯加入蒸馏水进行超声分散，超声功率180W、时长1.5h，配制成45g/L改性石墨烯的水分散液；
S2：将硫、硫化锂和水加热至60℃配制成含硫溶液，含硫溶液溶液中硫化锂含量为35g/L、硫含量为180g/L；将水分散液与含硫溶液按照1:1的体积比搅拌混合反应10h，而后加入过量的稀盐酸调节溶液pH＝2.5，搅拌混合2.5h后制得硫基复合材料，将硫基复合材料和碳纳米管:按照99.5：1的重量比混匀，水洗抽滤得到厚度一定的湿石墨烯复合纸，再在30MPa压力下压实得到石墨烯复合膜；
S3：将上述石墨烯复合膜至于高温炉中，充氮气于3500℃、3000℃、2500℃梯度结晶处理得到该石墨烯复合材料。
详细的方案为：
石墨粉和硝酸钠混合物料比为1:1，按照每克石墨粉加入30ml的量加入浓硫酸，每升氧化石墨烯水溶液投加0.25g聚乙二醇单全氟壬烯基醚和4.5g水合肼。
上述技术方案中，步骤S1中通过加入聚乙二醇单全氟壬烯基醚使得石墨烯水分散液稳定性好、产量高，防止石墨团聚，有利于后续生产的进行，同时聚乙二醇单全氟壬烯基醚耐高温性能优异，使得表面能降低、疏水性增强，步骤S2中生成纳米硫颗粒均匀分散在还原得到的石墨烯的表面，有利于石墨烯复合材料作为锂电池正极材料时充分发挥石墨烯的高导电性、稳定性，提高石墨烯复合材料作为锂电池正极的能量密度性能，改善电池的功率特性；另外，通过掺入碳纳米管，其可提高石墨烯复合材料的导热、导电、强度性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1
取石墨粉、硝酸钠和浓硫酸按照一定体积比混匀，石墨粉和硝酸钠混合物料比为1:1，按照每克石墨粉加入30ml的量加入浓硫酸，然后加入5倍石墨粉质量的高锰酸钾先10℃反应1.5h、后25℃反应2h制得氧化石墨烯浆料，将前述浆料水洗至中性并干燥制得氧化石墨烯，将氧化石墨烯配制成8mg/mL的氧化石墨烯水溶液；向上述氧化石墨烯水溶液中加入聚乙二醇单全氟壬烯基醚混匀后再加入水合肼90℃搅拌反应3h；反应结束后洗涤、抽滤得到改性石墨烯，每升氧化石墨烯水溶液投加0.25g聚乙二醇单全氟壬烯基醚和4.5g水合肼；将改性石墨烯加入蒸馏水进行超声分散，超声功率180W、时长1.5h，配制成45g/L改性石墨烯的水分散液；
将硫、硫化锂和水加热至60℃配制成含硫溶液，含硫溶液溶液中硫化锂含量为35g/L、硫含量为180g/L；将水分散液与含硫溶液按照1:1的体积比搅拌混合反应10h，而后加入过量的稀盐酸调节溶液pH＝2.5，搅拌混合2.5h后制得硫基复合材料，将硫基复合材料和1～5nm的碳纳米管:按照99.5：1的重量比混匀，水洗抽滤得到厚度一定的湿石墨烯复合纸，再在30MPa压力下压实得到石墨烯复合膜；将上述石墨烯复合膜至于高温炉中，充氮气于3500℃、3000℃、2500℃梯度结晶处理得到该石墨烯复合材料，各阶段分别1h。
上述操作过程中无石墨烯团聚发生，石墨烯复合材料产量高5％左右，将上述石墨烯复合材料制成正极和金属锂负极组成二次锂硫电池，在室温下充放电，锂硫二次电池用硫基复合正极材料的可逆容量可达到820mAh/g，通过四点法测量膜片电阻率和激光法测量导热率，测得电阻率为12000S/m、导热系数为2300W/m.K、强度为48MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种石墨烯复合材料的制备方法，包括如下操作步骤：
S1：取石墨粉、硝酸钠和浓硫酸按照一定体积比混匀，然后加入5倍石墨粉质量的高锰酸钾先10℃反应1.5h、后25℃反应2h制得氧化石墨烯浆料，将前述浆料水洗至中性并干燥制得氧化石墨烯，将氧化石墨烯配制成8mg/mL的氧化石墨烯水溶液；向上述氧化石墨烯水溶液中加入聚乙二醇单全氟壬烯基醚混匀后再加入水合肼90℃搅拌反应3h；反应结束后洗涤、抽滤得到改性石墨烯；将改性石墨烯加入蒸馏水进行超声分散，超声功率180W、时长1.5h，配制成45g/L改性石墨烯的水分散液；
S2：将硫、硫化锂和水加热至60℃配制成含硫溶液，含硫溶液溶液中硫化锂含量为35g/L、硫含量为180g/L；将水分散液与含硫溶液按照1:1的体积比搅拌混合反应10h，而后加入过量的稀盐酸调节溶液pH＝2.5，搅拌混合2.5h后制得硫基复合材料，将硫基复合材料和碳纳米管:按照99.5：1的重量比混匀，水洗抽滤得到厚度一定的湿石墨烯复合纸，再在30MPa压力下压实得到石墨烯复合膜；
S3：将上述石墨烯复合膜至于高温炉中，充氮气于3500℃、3000℃、2500℃梯度结晶处理得到该石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中：石墨粉和硝酸钠混合物料比为1:1，按照每克石墨粉加入30ml的量加入浓硫酸，每升氧化石墨烯水溶液投加0.25g聚乙二醇单全氟壬烯基醚和4.5g水合肼。
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