CN105977490A - 一种由氧化石墨烯改性制备石墨烯复合负极材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种由氧化石墨烯改性制备石墨烯复合负极材料的方法，包括材料A制备、沥青基纳米多孔炭材料制备及石墨烯复合负极材料制备三大过程，在材料A制备过程中使用到氧化石墨烯、纳米硅、复合催化剂、粘结剂和溶剂，在沥青基纳米多孔炭材料制备过程中使用到沥青、无水三氯化铝、无水四氯化碳和乙醇，并在沥青基纳米多孔炭材料制备过程中使用到傅‑克反应及炭化炉，在石墨烯复合负极材料制备过程中使用到材料A、沥青基纳米多孔炭材料及氢氧化钠溶液，本发明通过氧化石墨烯的改性来制备石墨烯复合负极材料，即可以提高石墨烯复合负极材料的克容量并降低其充放电过程中由于膨胀而造成的结构破坏，又可以提高石墨烯复合负极材料的结构稳定性。

Description

一种由氧化石墨烯改性制备石墨烯复合负极材料的方法

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料制备技术领域，尤其是一种由氧化石墨烯改性制备石墨烯复合负极材料的方法。

背景技术

石墨烯因其独特的结构而具有优异的电学、热学和力学性能，可望在高性能传感器、纳米复合材料、锂离子电池及超级电容器等领域获得广泛应用。

石墨烯的制备方法很多，主要包括机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法CVD、化学氧化还原法、液相剥离法、电化学法等，但石墨烯直接作为锂离子电池负极材料则应用较少，一方面是由于石墨烯克容量低，造成其容量偏低；另一方面是由于加工性能差，难以推广。而提高石墨烯材料加工性能的方法之一是材料表面改性，改性的石墨烯可与粘结剂、溶剂及电解液具有较好的相容性，以此提高石墨烯的吸液能力，并提高锂离子电池负极材料所要求的结构稳定性。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种由氧化石墨烯改性制备石墨烯复合负极材料的方法，该方法一方面通过在氧化石墨烯中掺杂来提高石墨烯复合负极材料的克容量，另一方面通过表面包覆改性来提高石墨烯复合负极材料与电解液的相容性，制备的石墨烯复合负极材料具有较高的比表面积，可以提高石墨烯复合负极材料的吸液能力和结构稳定性，制备方法适于产业化推广使用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种由氧化石墨烯改性制备石墨烯复合负极材料的方法，该方法包括材料A制备、沥青基纳米多孔炭材料制备及石墨烯复合负极材料制备三大过程，在材料A制备过程中使用到氧化石墨烯、纳米硅、复合催化剂、粘结剂和溶剂，在沥青基纳米多孔炭材料制备过程中使用到沥青、无水三氯化铝、无水四氯化碳和乙醇，并在沥青基纳米多孔炭材料制备过程中使用到傅-克反应及炭化炉，在石墨烯复合负极材料制备过程中使用到材料A、沥青基纳米多孔炭材料及氢氧化钠溶液，各过程分述如下：

I、材料A制备：

材料A的配制比例是：氧化石墨烯∶纳米硅∶复合催化剂∶粘结剂∶溶剂＝[1～10]g∶[0.1～1]g∶[0.1～1]g∶[1～20]g∶100mL，依据材料A的配制比例依次将氧化石墨烯、纳米硅、复合催化剂、粘结剂、溶剂混合在一起并通过搅拌机高速搅拌2小时，搅拌后在200℃条件下干燥1小时，干燥后粉碎制备出混合材料A；上述纳米硅要求的纳米硅要求的粒径控制在300nm；

上述复合催化剂是纳米镍-纳米铜混合物，在该纳米镍-纳米铜混合物中要求纳米镍的百分含重量控制在10～30％，其余为纳米铜，纳米镍和纳米铜要求的粒径均控制在10～500nm；

上述粘结剂是聚偏氟乙烯；上述溶剂是N-甲基吡咯烷酮；

II、沥青基纳米多孔炭材料制备：

沥青基多孔包覆碳材料的总配制比例是：沥青∶无水三氯化铝∶无水四氯化碳溶液∶乙醇＝[0.1～10]g∶[3～50]g∶[100～400]ml∶[200～500]ml；

依据上述总配制比例，将沥青加入到无水四氯化碳中进行搅拌，此时无水

四氯化碳溶液的使用量是总量[100～400]ml中的一部分且以沥青完全得到溶解为准，溶解产物是沥青基四氯化碳溶液；

之后依据上述配制比例将无水三氯化铝置于反应釜中，再加入无水四氯化碳溶液[100～400]ml中的另一部分并使无水三氯化铝溶解得到溶解，然后加入所述沥青基四氯化碳溶液并在搅拌和50℃条件下进行傅-克反应24小时得到反应溶液，24小时后再加入200～500mL乙醇并终傅-克反应，之后经洗涤、过滤、干燥得到固体的沥青基多孔碳材料，将所述沥青基多孔碳材料置于炭化炉中进行碳化处理，碳化处理使用的保护性气体是氮气，氮气的流速控制在500ml/min，要求：炭化炉在3℃/min的升温速度下升温到900℃，碳化处理12h即可制备出沥青基纳米多孔碳材料；

III、石墨烯复合负极材料制备：

石墨烯负极材料配制比例是：材料A∶沥青基纳米多孔碳材料∶氢氧化钠溶液＝100g∶[5～10]g∶[100～500]mL，氢氧化钠溶液的浓度控制在0.1～2mol/L；

依据上述配制比例将材料A和沥青基纳米多孔碳材料一同添加到氢氧化钠溶液中进行活化并得到活化物，将所述活化物在100℃条件下进行干燥，将干燥后的所述活化物置于炭化炉中进行碳化处理，此时碳化处理使用的保护性气体是氮气，氮气的流速控制在500ml/min，要求：炭化炉以3～10℃/min的升温速度升至100～160℃时所述活化物在60～100转/min的转速下搅拌1.0～10h，之后再以4℃/min的升温速度升至300～500℃时对所述活化物进行恒温脱水20～40min，然后以4℃/min的升温速度继续升至800℃时活化处理60～100min，活化处理后在氮气保护下随炉冷却至室温，即可制备出石墨烯复合负极材料。

由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下有益效果：

1)Friedel-Crafts是一种交联反应过程，即在包覆沥青表面进行造孔，形成孔径发达的蜂窝状结构，从而可以大幅度提高石墨烯复合负极材料的比表面积和吸液保液能力，以提高石墨烯复合负极材料的结构稳定性和循环性能。

2)在制备材料A时复合催化剂均匀掺杂在氧化石墨烯间，之后在制备石墨烯复合负极材料过程中复合催化剂可以起到加速碳化过程，提高石墨烯复合负极材料的结晶度和石墨化度。同时在石墨烯复合负极材料中掺杂纳米硅又可以大幅度提高其克容量，降低石墨烯复合负极材料在锂离子电池使用过程中的膨胀率。

3)石墨烯复合负极材料包覆多孔的沥青基材形成核-壳结构，利用内核石墨烯高导电、高膨胀的特性及其纳米硅高容量的特性，可以提高石墨烯复合负极材料的克容量并降低其充放电过程中由于膨胀而造成的结构破坏；利用外壳纳米沥青耐电解液、循环性能好等特性可以提高石墨烯复合负极材料的结构稳定性。

4)复合催化剂中的纳米镍、纳米铜可以发挥其协同作用，即在发挥纳米镍催化的同时其纳米铜可以加速碳化过程中C-H的断裂反应，提高反应效率。

附图说明

图1是实施例1石墨烯复合材料的扫描电镜测试SEM图；

具体实施方式

本发明是一种由氧化石墨烯改性制备石墨烯复合负极材料的方法，本发明通过氧化石墨烯的改性来制备石墨烯复合负极材料，即可以提高石墨烯复合负极材料的克容量并降低其充放电过程中由于膨胀而造成的结构破坏，又可以提高石墨烯复合负极材料的结构稳定性。

氧化石墨烯在市场上购置，由南京吉仓纳米科技有限公司生产，型号是：JCGO-99-1-300。

本发明的方法包括材料A制备、沥青基纳米多孔炭材料制备及石墨烯复合负极材料制备三大过程，在材料A制备过程中使用到氧化石墨烯、纳米硅、复

合催化剂、粘结剂和溶剂，在沥青基纳米多孔炭材料制备过程中使用到沥青、无水三氯化铝、无水四氯化碳和乙醇，并在沥青基纳米多孔炭材料制备过程中使用到傅-克反应及炭化炉，在石墨烯复合负极材料制备过程中使用到材料A、沥青基纳米多孔炭材料及氢氧化钠溶液。纳米硅要求的粒径控制在300nm。复合催化剂是纳米镍-纳米铜混合物，在该纳米镍-纳米铜混合物中要求纳米镍的百分含重量控制在10～30％，其余为纳米铜，纳米镍和纳米铜要求的粒径均控制在10～500nm。粘结剂是聚偏氟乙烯，聚偏氟乙烯的简称是PVDF。溶剂是N-甲基吡咯烷酮，N-甲基吡咯烷酮的简称是NMP。氢氧化钠溶液的浓度控制在0.1～2mol/L，傅-克反应的简称是Friedel-Crafts。

根据所述技术方案，现举如下三个实施例。

实施例1：

I、材料A制备：分别称取5g氧化石墨烯，0.5g粒径为300nm的纳米硅，0.05g粒径为200μm的纳米镍-纳米铜混合物，其中纳米镍含0.01g而纳米铜含0.04g，10g PVDF粘结剂及其100mLNMP溶剂混合在一起并通过搅拌机高速搅拌2小时，搅拌后在200℃条件下干燥1小时，干燥后粉碎制备出混合材料A。

II、沥青基纳米多孔炭材料制备：在250mL的容量瓶中依次添加5g沥青，200ml无水四氯化碳溶液，搅拌到完全溶解沥青得到溶解产物沥青基四氯化碳溶液；将20g无水三氯化铝置于反应釜中，加入50ml无水四氯化碳溶液直至其溶解，再加入所述沥青基四氯化碳溶液并在搅拌和50℃条件下Friedel-Crafts反应24小时得到反应溶液，24小时后再加入300mL乙醇并终止Friedel-Crafts反应，之后经洗涤、过滤、干燥得到沥青基多孔碳材料，将所述沥青基多孔碳材料置于炭化炉中进行碳化处理，在氮气流速500ml/min及3℃/min的升温速率下升温到900℃，碳化12h制备出沥青基纳米多孔炭材料。

III、石墨烯复合负极材料制备：将100g材料A和8g沥青基纳米多孔碳材料混合均匀后一同添加到300mL氢氧化钠溶液中进行活化并得到活化物，之后在100℃条件下进行干燥，将干燥后的所述活化物置于炭化炉中进行碳化处理，氮气流速500ml/min，以8℃/min的升温速度到150℃温度时所述活化物在80转/min的转速下搅拌8h，之后再以4℃/min的升温速率升至400℃对所述活化物进行恒温脱水30min，继续升温到800℃活化80min，活化处理后在氮气保护下随炉冷却至室温，即可制备出石墨烯复合负极材料。

实施例2

I、材料A制备：分别称取1g氧化石墨烯，0.1g粒径为300nm的纳米硅，1.0g粒径为200μm的纳米镍-纳米铜混合物，其中纳米镍含0.1g而纳米铜含0.9g，10g PVDF粘结剂及其100mLNMP溶剂混合在一起并通过搅拌机高速搅拌2小时，搅拌后在200℃条件下干燥1小时，干燥后粉碎制备出混合材料A。

II、沥青基纳米多孔炭材料制备：在250mL的容量瓶中依次添加0.1g沥青，1.0ml无水四氯化碳溶液，搅拌到完全溶解沥青得到溶解产物沥青基四氯化碳溶液；将100g无水三氯化铝置于反应釜中，加入300ml无水四氯化碳溶液直至其溶解，再加入所述沥青基四氯化碳溶液并在搅拌和50℃条件下Friedel-Crafts反应24小时得到反应溶液，24小时后再加入200mL乙醇并终止Friedel-Crafts反应，之后经洗涤、过滤、干燥得到沥青基多孔碳材料，将所述沥青基多孔碳材料置于炭化炉中进行碳化处理，在氮气流速500ml/min及3℃/min的升温速率下升温到900℃，碳化12h制备出沥青基纳米多孔炭材料。

III、石墨烯复合负极材料制备：将100g材料A和10g沥青基纳米多孔碳材料混合均匀后一同添加到100mL氢氧化钠溶液中进行活化并得到活化物，之后在100℃条件下进行干燥，将干燥后的所述活化物置于炭化炉中进行碳化处理，氮气流速500ml/min，以3℃/min的升温速度到160℃温度时所述活化物在60转/min的转速下搅拌10h，之后再以4℃/min的升温速率升至300℃对所述活化物进行恒温脱水40min，继续升温到800℃活化60min，活化处理后在氮气保护下随炉冷却至室温，即可制备出石墨烯复合负极材料。

实施例3

I、材料A制备：分别称取10g氧化石墨烯，1.0g粒径为300nm的纳米硅，1.0g粒径为200μm的纳米镍-纳米铜混合物，其中纳米镍含0.3g而纳米铜含0.7g，10g PVDF粘结剂及其100mLNMP溶剂混合在一起并通过搅拌机高速搅拌2小时，搅拌后在200℃条件下干燥1小时，干燥后粉碎制备出混合材料A。

II、沥青基纳米多孔炭材料制备：在250mL的容量瓶中依次添加10g沥青，10ml无水四氯化碳溶液，搅拌到完全溶解沥青得到溶解产物沥青基四氯化碳溶液；将400g无水三氯化铝置于反应釜中，加入400ml无水四氯化碳溶液直至其溶解，再加入所述沥青基四氯化碳溶液并在搅拌和50℃条件下Friedel-Crafts反应24小时得到反应溶液，24小时后再加入500mL乙醇并终止Friedel-Crafts反应，之后经洗涤、过滤、干燥得到沥青基多孔碳材料，将所述沥青基多孔碳材料置于炭化炉中进行碳化处理，在氮气流速500ml/min及3℃/min的升温速率下升温到900℃，碳化12h制备出沥青基纳米多孔炭材料。

III、石墨烯复合负极材料制备：将100g材料A和5g沥青基纳米多孔碳材料混合均匀后一同添加到500mL氢氧化钠溶液中进行活化并得到活化物，之后在100℃条件下进行干燥，将干燥后的所述活化物置于炭化炉中进行碳化处理，氮气流速500ml/min，以10℃/min的升温速度到100℃温度时所述活化物在100转/min的转速下搅拌1h，之后再以4℃/min的升温速率升至500℃对所述活化物进行恒温脱水20min，继续升温到800℃活化100min，活化处理后在氮气保护下随炉冷却至室温，即可制备出石墨烯复合负极材料。

图1是实施例1石墨烯复合材料的扫描电镜测试SEM图，从图1可以看出，改性制备出的石墨烯复合负极材料表面粗糙且有明显的微孔，孔隙率得到增加。

上述三个实施例制备的石墨烯复合负极材料包覆多孔的沥青基材形成核-壳结构，利用内核石墨烯高导电、高膨胀的特性及其纳米硅高容量的特性，可以提高石墨烯复合负极材料的克容量并降低其充放电过程中由于膨胀而造成的结构破坏。利用外壳纳米沥青耐电解液、循环性能好等特性可以提高石墨烯复合负极材料的结构稳定性。

软包电池测试：

分别以实施例1-3作为负极材料，对比例以人造石墨为负极材料，均以磷酸铁锂为正极材料，电解液采用LiPF₆/EC+DEC，电解液体积比LiPF₆/EC∶DEC＝1∶1，Celgard 2400膜为隔膜，实施例1-3分别制备出对应的5AH软包电池A1、A2、A3及B，并测试其各项性能。

实施例1-3和对比例的吸液速度、保液率、压实密度参考结果见下表。

从上表可以看出，实施例1-3的吸液速度、保液率及压实密度均明显高于对比例：实施例1-3和对比例的比表面积及孔容参考结果见下表，从下表可以看出，实施例1-3的比表面积及孔容也得到大幅提高。

电化学性能测试：

实施例1-3和对比例的倍率性能及循环性能参考结果见下表。

从上表可以看出，实施例1-3在倍率性能及循环性能方面较对比例有大幅提高，一方面是由于石墨烯复合负极材料中的石墨烯具有较高的电导率及其膨胀系数，可以提高锂离子电池的倍率性能，同时一方面是石墨烯复合负极材料中包覆的沥青基多孔碳又具有大的比表面积，可以提高石墨烯复合负极材料的吸液保液能力，并因此而提高其循环性能。

Claims (1)

1.一种由氧化石墨烯改性制备石墨烯复合负极材料的方法，该方法包括材料A制备、沥青基纳米多孔炭材料制备及石墨烯复合负极材料制备三大过程，在材料A制备过程中使用到氧化石墨烯、纳米硅、复合催化剂、粘结剂和溶剂，在沥青基纳米多孔炭材料制备过程中使用到沥青、无水三氯化铝、无水四氯化碳和乙醇，并在沥青基纳米多孔炭材料制备过程中使用到傅-克反应及炭化炉，在石墨烯复合负极材料制备过程中使用到材料A、沥青基纳米多孔炭材料及氢氧化钠溶液，其特征是：

I、材料A制备：

材料A的配制比例是：氧化石墨烯∶纳米硅∶复合催化剂∶粘结剂∶溶剂＝[1～10]g∶[0.1～1]g∶[0.1～1]g∶[1～20]g∶100mL，依据材料A的配制比例依次将氧化石墨烯、纳米硅、复合催化剂、粘结剂、溶剂混合在一起并通过搅拌机高速搅拌2小时，搅拌后在200℃条件下干燥1小时，干燥后粉碎制备出混合材料A；

上述纳米硅要求的纳米硅要求的粒径控制在300nm；

上述复合催化剂是纳米镍-纳米铜混合物，在该纳米镍-纳米铜混合物中要求纳米镍的百分含重量控制在10～30％，其余为纳米铜，纳米镍和纳米铜要求的粒径均控制在10～500nm；

上述粘结剂是聚偏氟乙烯；

上述溶剂是N-甲基吡咯烷酮；

II、沥青基纳米多孔炭材料制备：

沥青基多孔包覆碳材料的总配制比例是：沥青∶无水三氯化铝∶无水四氯化碳溶液∶乙醇＝[0.1～10]g∶[3～50]g∶[100～400]ml∶[200～500]ml；

依据上述总配制比例，将沥青加入到无水四氯化碳中进行搅拌，此时无水

四氯化碳溶液的使用量是总量[100～400]ml中的一部分且以沥青完全得到溶解为准，溶解产物是沥青基四氯化碳溶液；

之后依据上述配制比例将无水三氯化铝置于反应釜中，再加入无水四氯化碳溶液[100～400]ml中的另一部分并使无水三氯化铝溶解得到溶解，然后加入所述沥青基四氯化碳溶液并在搅拌和50℃条件下进行傅-克反应24小时得到反应溶液，24小时后再加入200～500mL乙醇并终傅-克反应，之后经洗涤、过滤、干燥得到固体的沥青基多孔碳材料，将所述沥青基多孔碳材料置于炭化炉中进行碳化处理，碳化处理使用的保护性气体是氮气，氮气的流速控制在500ml/min，要求：炭化炉在3℃/min的升温速度下升温到900℃，碳化处理12h即可制备出沥青基纳米多孔碳材料；

III、石墨烯复合负极材料制备：

石墨烯负极材料配制比例是：材料A：沥青基纳米多孔碳材料∶氢氧化钠溶液＝100g∶[5～10]g∶[100～500]mL，氢氧化钠溶液的浓度控制在0.1～2mol/L；

依据上述配制比例将材料A和沥青基纳米多孔碳材料一同添加到氢氧化钠溶液中进行活化并得到活化物，将所述活化物在100℃条件下进行干燥，将干燥后的所述活化物置于炭化炉中进行碳化处理，此时碳化处理使用的保护性气体是氮气，氮气的流速控制在500ml/min，要求：炭化炉以3～10℃/min的升温速度升至100～160℃时所述活化物在60～100转/min的转速下搅拌1.0～10h，之后再以4℃/min的升温速度升至300～500℃时对所述活化物进行恒温脱水20～40min，然后以4℃/min的升温速度继续升至800℃时活化处理60～100min，活化处理后在氮气保护下随炉冷却至室温，即可制备出石墨烯复合负极材料。