CN108539184A - 一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯20‑35份、生物炭5‑10份、左亚叶酸钙5‑10份、2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸11‑18份、四氟化锡6‑15份、碳二亚胺4‑8份、钛酸丁酯2‑5份、乙酰丙酮二羰基铱6‑10份。本发明的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料具有优异的导电性能，且放电比容量高，振实密度高，性能稳定，循环使用率高。

Description

一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池技术领域，具体是一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料及其制备方法。
背景技术
随着移动互联网时代的来临，电子设备小型化，以及电动自行车、新能源汽车逐渐进入大规模发展和应用阶段,对锂离子二次电池提出了更高比容量的要求。锂离子电池是目前应用最为广泛的二次电池，但其循环寿命及能量密度仍无法满足人们的要求。锂离子电池的能量密度很大程度上取决于正负极材料的电极电位和可逆比容量，因此，探索性能优越的负极材料是锂离子电池研究的重要课题。目前，商业化用中间相碳微球(MCMB)在1C倍率下比容量为230mAh·g-1，严重限制高能锂离子电池的发展。石墨由于具有高电导率、锂离子扩散系数大、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低、价格低廉等优点，成为目前商业化锂离子电池负极材料的焦点。
石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，在储能领域具有广阔的前景。其储能机理是大π键上的离域电子和锂离子相互作用成键，双面吸附，理论比容量为是石墨的两倍。但现有采用石墨烯的锂离子电池负极材料依然存在放电比容量低，振实密度低，性能不够稳定，循环使用率低等缺点。因此，本发明提供一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯20-35份、生物炭5-10份、左亚叶酸钙5-10份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸11-18份、四氟化锡6-15份、碳二亚胺4-8份、钛酸丁酯2-5份、乙酰丙酮二羰基铱6-10份。
作为本发明进一步的方案：所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯23-31份、生物炭6-9份、左亚叶酸钙6-8份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸13-16份、四氟化锡8-12份、碳二亚胺5-8份、钛酸丁酯3-5份、乙酰丙酮二羰基铱7-9份。
作为本发明进一步的方案：所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯28份、生物炭8份、左亚叶酸钙7份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸15份、四氟化锡9份、碳二亚胺6份、钛酸丁酯4份、乙酰丙酮二羰基铱8份。
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯、左亚叶酸钙和生物炭混合，进行球磨，球磨转速为500-600rpm，球磨时间为20-40min；
(2)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和四氟化锡混合，加入混合物质量1-3倍的水，混合均匀，得到混合溶液；
(3)将步骤(1)所得物与步骤(2)所得物混合，置于100-120℃下进行球磨，球磨转速为1000-1500rpm，球磨时间为15-35min；
(4)碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱混合，加入混合物2-3倍的75％乙醇溶液，进行球磨，球磨转速为800-1000rpm，球磨时间为10-25min；
(5)将步骤(3)所得物与步骤(4)所得物混合，进行球磨，球磨转速为2000-3000rpm，球磨时间为20-40min；
(6)将上步所得物干燥后，在900-1100℃下烧结30-50min，冷却即得。
作为本发明进一步的方案：步骤(1)将石墨烯、左亚叶酸钙和生物炭混合，进行球磨，球磨转速为550rpm，球磨时间为30min。
作为本发明进一步的方案：步骤(2)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和四氟化锡混合，加入混合物质量2倍的水，混合均匀，得到混合溶液。
作为本发明进一步的方案：步骤(3)将步骤(1)所得物与步骤(2)所得物混合，置于115℃下进行球磨，球磨转速为1200rpm，球磨时间为22min。
作为本发明进一步的方案：步骤(4)碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱混合，加入混合物2.3倍的75％乙醇溶液，进行球磨，球磨转速为900rpm，球磨时间为18min。
作为本发明进一步的方案：步骤(5)将步骤(3)所得物与步骤(4)所得物混合，进行球磨，球磨转速为2600rpm，球磨时间为30min。
作为本发明进一步的方案：步骤(6)将上步所得物干燥后，在970℃下烧结40min，冷却即得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料通过石墨烯、生物炭、左亚叶酸钙、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、四氟化锡、碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱复合制备而成；具有优异的导电性能，且放电比容量高，振实密度高，性能稳定，循环使用率高；制备工艺简单，有利于实现工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯20份、生物炭5份、左亚叶酸钙5份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸11份、四氟化锡6份、碳二亚胺4份、钛酸丁酯2份、乙酰丙酮二羰基铱6份。
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯、左亚叶酸钙和生物炭混合，进行球磨，球磨转速为500rpm，球磨时间为20min；
(2)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和四氟化锡混合，加入混合物质量1倍的水，混合均匀，得到混合溶液；
(3)将步骤(1)所得物与步骤(2)所得物混合，置于100℃下进行球磨，球磨转速为1000rpm，球磨时间为15min；
(4)碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱混合，加入混合物2倍的75％乙醇溶液，进行球磨，球磨转速为800rpm，球磨时间为10min；
(5)将步骤(3)所得物与步骤(4)所得物混合，进行球磨，球磨转速为2000rpm，球磨时间为20min；
(6)将上步所得物干燥后，在900℃下烧结30min，冷却即得。
实施例2
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯35份、生物炭10份、左亚叶酸钙10份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸18份、四氟化锡15份、碳二亚胺8份、钛酸丁酯5份、乙酰丙酮二羰基铱10份。
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯、左亚叶酸钙和生物炭混合，进行球磨，球磨转速为600rpm，球磨时间为40min；
(2)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和四氟化锡混合，加入混合物质量3倍的水，混合均匀，得到混合溶液；
(3)将步骤(1)所得物与步骤(2)所得物混合，置于120℃下进行球磨，球磨转速为1500rpm，球磨时间为35min；
(4)碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱混合，加入混合物3倍的75％乙醇溶液，进行球磨，球磨转速为1000rpm，球磨时间为25min；
(5)将步骤(3)所得物与步骤(4)所得物混合，进行球磨，球磨转速为3000rpm，球磨时间为40min；
(6)将上步所得物干燥后，在1100℃下烧结50min，冷却即得。
实施例3
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯28份、生物炭8份、左亚叶酸钙7份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸15份、四氟化锡9份、碳二亚胺6份、钛酸丁酯4份、乙酰丙酮二羰基铱8份。
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯、左亚叶酸钙和生物炭混合，进行球磨，球磨转速为550rpm，球磨时间为30min。
(2)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和四氟化锡混合，加入混合物质量2倍的水，混合均匀，得到混合溶液。
(3)将步骤(1)所得物与步骤(2)所得物混合，置于115℃下进行球磨，球磨转速为1200rpm，球磨时间为22min。
(4)碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱混合，加入混合物2.3倍的75％乙醇溶液，进行球磨，球磨转速为900rpm，球磨时间为18min。
(5)将步骤(3)所得物与步骤(4)所得物混合，进行球磨，球磨转速为2600rpm，球磨时间为30min。
(6)将上步所得物干燥后，在970℃下烧结40min，冷却即得。
实施例4
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯23份、生物炭6份、左亚叶酸钙6份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸13份、四氟化锡8份、碳二亚胺5份、钛酸丁酯3份、乙酰丙酮二羰基铱7份。
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯、左亚叶酸钙和生物炭混合，进行球磨，球磨转速为520rpm，球磨时间为22min；
(2)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和四氟化锡混合，加入混合物质量1.3倍的水，混合均匀，得到混合溶液；
(3)将步骤(1)所得物与步骤(2)所得物混合，置于103℃下进行球磨，球磨转速为1100rpm，球磨时间为18min；
(4)碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱混合，加入混合物2.2倍的75％乙醇溶液，进行球磨，球磨转速为850rpm，球磨时间为11min；
(5)将步骤(3)所得物与步骤(4)所得物混合，进行球磨，球磨转速为2200rpm，球磨时间为23min；
(6)将上步所得物干燥后，在940℃下烧结34min，冷却即得。
实施例5
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯31份、生物炭9份、左亚叶酸钙8份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸16份、四氟化锡12份、碳二亚胺8份、钛酸丁酯5份、乙酰丙酮二羰基铱9份。
一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯、左亚叶酸钙和生物炭混合，进行球磨，球磨转速为580rpm，球磨时间为36min；
(2)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和四氟化锡混合，加入混合物质量2.6倍的水，混合均匀，得到混合溶液；
(3)将步骤(1)所得物与步骤(2)所得物混合，置于115℃下进行球磨，球磨转速为1400rpm，球磨时间为32min；
(4)碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱混合，加入混合物2.8倍的75％乙醇溶液，进行球磨，球磨转速为950rpm，球磨时间为22min；
(5)将步骤(3)所得物与步骤(4)所得物混合，进行球磨，球磨转速为2800rpm，球磨时间为37min；
(6)将上步所得物干燥后，在1050℃下烧结48min，冷却即得。
对比例1
除原料中不含有左亚叶酸钙外，其他制备工艺与实施例3一致。
对比例2
除原料中不含有四氟化锡外，其他制备工艺与实施例3一致。
对比例3
除原料中不含有左亚叶酸钙和四氟化锡外，其他制备工艺与实施例3一致。
对比例4
原料与实施例3一致，制备工艺为将所有原料混合均匀后干燥，在1050℃下烧结48min，冷却即得。
实验例
对实施例1-5对比例1-4进行性能测试。将得到的电极材料放置在铜箔上制成负极极片，和金属锂片组装成纽扣电池，电解液为lmol/L的LiPF6溶解于DMC中，在0.02-1.5V的电压范围内，室温下，以100mAh/g的电流进行充放电循环测试，循环100次。结果如下。
表1
项目 首次放电比容量mAh/g 循环100次后放电比容量mAh/g 振实密度g/cm3
实施例1 2258 925 1.05
实施例2 2041 1038 1.04
实施例3 2364 1189 1.08
实施例4 2289 1098 1.07
实施例5 2301 1104 1.06
对比例1 1708 810 0.96
对比例2 1562 768 0.92
对比例3 1320 751 0.90
对比例4 1998 901 1.00
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，其特征在于，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯20-35份、生物炭5-10份、左亚叶酸钙5-10份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸11-18份、四氟化锡6-15份、碳二亚胺4-8份、钛酸丁酯2-5份、乙酰丙酮二羰基铱6-10份。
2.根据权利要求1所述的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，其特征在于，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯23-31份、生物炭6-9份、左亚叶酸钙6-8份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸13-16份、四氟化锡8-12份、碳二亚胺5-8份、钛酸丁酯3-5份、乙酰丙酮二羰基铱7-9份。
3.根据权利要求1所述的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料，其特征在于，所述改性石墨烯复合锂离子电池负极材料包括以下重量份的原料：石墨烯28份、生物炭8份、左亚叶酸钙7份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸15份、四氟化锡9份、碳二亚胺6份、钛酸丁酯4份、乙酰丙酮二羰基铱8份。
4.一种如权利要求1-3任一所述的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨烯、左亚叶酸钙和生物炭混合，进行球磨，球磨转速为500-600rpm，球磨时间为20-40min；
(2)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和四氟化锡混合，加入混合物质量1-3倍的水，混合均匀，得到混合溶液；
(3)将步骤(1)所得物与步骤(2)所得物混合，置于100-120℃下进行球磨，球磨转速为1000-1500rpm，球磨时间为15-35min；
(4)碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱混合，加入混合物2-3倍的75％乙醇溶液，进行球磨，球磨转速为800-1000rpm，球磨时间为10-25min；
(5)将步骤(3)所得物与步骤(4)所得物混合，进行球磨，球磨转速为2000-3000rpm，球磨时间为20-40min；
(6)将上步所得物干燥后，在900-1100℃下烧结30-50min，冷却即得。
5.如权利要求4所述的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)将石墨烯、左亚叶酸钙和生物炭混合，进行球磨，球磨转速为550rpm，球磨时间为30min。
6.如权利要求4所述的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和四氟化锡混合，加入混合物质量2倍的水，混合均匀，得到混合溶液。
7.如权利要求4所述的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)将步骤(1)所得物与步骤(2)所得物混合，置于115℃下进行球磨，球磨转速为1200rpm，球磨时间为22min。
8.如权利要求4所述的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)碳二亚胺、钛酸丁酯和乙酰丙酮二羰基铱混合，加入混合物2.3倍的75％乙醇溶液，进行球磨，球磨转速为900rpm，球磨时间为18min。
9.如权利要求4所述的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)将步骤(3)所得物与步骤(4)所得物混合，进行球磨，球磨转速为2600rpm，球磨时间为30min。
10.如权利要求4所述的改性石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)将上步所得物干燥后，在970℃下烧结40min，冷却即得。
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