CN108550852A - 一种石墨烯电池用负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯电池用负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯电池用负极材料及其制备方法，包括以下重量份的原料：氧化石墨烯16‑25份、壳聚糖4‑6份、碳酸锂3‑5份、纳米二氧化硅1.8‑3.3份、碳纤维6‑10份、透明质酸5‑8份、六月雪4‑8份、壬基酚聚氧乙烯醚1.2‑2份和硫酸镁1.5‑3份。本发明原料来源广泛，通过将不同的原料采用不同的方式进行加工，制备的成品具有较高的首次库伦效率、高容量和高循环稳定性，可以满足人们的使用需求。

Description

一种石墨烯电池用负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯电池领域，具体是一种石墨烯电池用负极材料。
背景技术
由于以石油和煤为主的化石燃料的不断消耗，以及对于环境污染的不断加重，如当前的雾霾天气以及汽车尾气已经成为人类健康的头号杀手等，已经严重影响人类健康和生存环境。越来越多的人将目光投向新能源技术，开发新能源成为众多国家的能源战略重点，石墨烯电池就是其中的一个重要方向。
石墨烯电池是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子，但实际上10层以内的石墨结构也可称作石墨烯。而10层以上的则被称为石墨薄膜。石墨烯的每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导性。由于原间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生碰撞，石墨烯中的电子受到的干扰也很小。在传输时不易发生散射，约为硅中电子迁移率的140倍。其电导率可达106s/m，是常温下导电性最佳的材料。
但是石墨烯材料的首次库伦效率较低，会大幅提高正极材料的用量，进而提高整个石墨烯电池的成本，这就为人们的使用带来了不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯电池用负极材料，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：
一种石墨烯电池用负极材料，包括以下重量份的原料：氧化石墨烯16-25份、壳聚糖4-6份、碳酸锂3-5份、纳米二氧化硅1.8-3.3份、碳纤维6-10份、透明质酸5-8份、六月雪4-8份、壬基酚聚氧乙烯醚1.2-2份和硫酸镁1.5-3份。
作为本发明进一步的方案：壳聚糖的相对分子量为3.2×105-4.6×105。
作为本发明进一步的方案：纳米二氧化硅的粒径为32-84nm，碳纤维的长度为4-8mm。
所述石墨烯电池用负极材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，将六月雪清洗晾干后破碎至20-30目，将六月雪粉末加入其体积4-8倍的质量分数为60-75％的乙醇水溶液，在密闭环境下加热煮沸并且煮沸后保持20-35分钟，过滤后，将滤液进行水浴加热，以蒸发乙醇，得六月雪提取液，将六月雪提取液平均分成两份；
步骤二，将壳聚糖、透明质酸和碳纤维混合并且以60-90rpm的转速球磨均匀，球磨温度为45-60摄氏度，得到第一混合物；
步骤三，将氧化石墨烯粉碎至180-200目，将氧化石墨烯粉末加入一份六月雪提取液中并且磁力搅拌，得到石墨烯分散液；
步骤四，将纳米二氧化硅和碳酸锂加入另一份六月雪提取液中并且超声波振荡，得到第二混合物；
步骤五，将第一混合物、第二混合物、石墨烯分散液、壬基酚聚氧乙烯醚和硫酸镁在高混机中混合均匀，然后采用高能射线进行照射3-5分钟，在30-40摄氏度下干燥并且粉碎成粉末，得到半成品；
步骤六，将半成品放入烧结炉中，在惰性气氛下以8-12摄氏度/分钟的速度升温至600-660摄氏度并且保持150-200分钟，再以18-25摄氏度/分钟的速度升温至1100-1250摄氏度并且保持4-6小时，再以15-20摄氏度/分钟的速度降温至520-550摄氏度并且保持60-90分钟，自然冷却至室温即得到成品。
作为本发明进一步的方案：步骤四中超声波振荡的功率为180-240W，频率为25-30KHz。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明原料来源广泛，通过将不同的原料采用不同的方式进行加工，制备的成品具有较高的首次库伦效率、高容量和高循环稳定性，可以满足人们的使用需求。
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
一种石墨烯电池用负极材料，包括以下重量份的原料：氧化石墨烯16份、壳聚糖4份、碳酸锂3份、纳米二氧化硅1.8份、碳纤维6份、透明质酸5份、六月雪4份、壬基酚聚氧乙烯醚1.2份和硫酸镁1.5份。壳聚糖的相对分子量为3.2×105-4.6×105。
所述石墨烯电池用负极材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，将六月雪清洗晾干后破碎至20目，将六月雪粉末加入其体积5倍的质量分数为66％的乙醇水溶液，在密闭环境下加热煮沸并且煮沸后保持26分钟，过滤后，将滤液进行水浴加热，以蒸发乙醇，得六月雪提取液，将六月雪提取液平均分成两份；
步骤二，将壳聚糖、透明质酸和碳纤维混合并且以75rpm的转速球磨均匀，球磨温度为55摄氏度，得到第一混合物；
步骤三，将氧化石墨烯粉碎至180目，将氧化石墨烯粉末加入一份六月雪提取液中并且磁力搅拌，得到石墨烯分散液；
步骤四，将纳米二氧化硅和碳酸锂加入另一份六月雪提取液中并且超声波振荡，得到第二混合物；
步骤五，将第一混合物、第二混合物、石墨烯分散液、壬基酚聚氧乙烯醚和硫酸镁在高混机中混合均匀，然后采用高能射线进行照射4分钟，在36摄氏度下干燥并且粉碎成粉末，得到半成品；
步骤六，将半成品放入烧结炉中，在惰性气氛下以8摄氏度/分钟的速度升温至640摄氏度并且保持180分钟，再以22摄氏度/分钟的速度升温至1230摄氏度并且保持5小时，再以18摄氏度/分钟的速度降温至530摄氏度并且保持80分钟，自然冷却至室温即得到成品。
实施例2
一种石墨烯电池用负极材料，包括以下重量份的原料：氧化石墨烯19份、壳聚糖4.8份、碳酸锂3.6份、纳米二氧化硅2.5份、碳纤维7.5份、透明质酸6.4份、六月雪6份、壬基酚聚氧乙烯醚1.5份和硫酸镁1.8份。纳米二氧化硅的粒径为50nm，碳纤维的长度为6mm。
所述石墨烯电池用负极材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，将六月雪清洗晾干后破碎至25目，将六月雪粉末加入其体积8倍的质量分数为72％的乙醇水溶液，在密闭环境下加热煮沸并且煮沸后保持30分钟，过滤后，将滤液进行水浴加热，以蒸发乙醇，得六月雪提取液，将六月雪提取液平均分成两份；
步骤二，将壳聚糖、透明质酸和碳纤维混合并且以75rpm的转速球磨均匀，球磨温度为54摄氏度，得到第一混合物；
步骤三，将氧化石墨烯粉碎至200目，将氧化石墨烯粉末加入一份六月雪提取液中并且磁力搅拌，得到石墨烯分散液；
步骤四，将纳米二氧化硅和碳酸锂加入另一份六月雪提取液中并且超声波振荡，得到第二混合物；
步骤五，将第一混合物、第二混合物、石墨烯分散液、壬基酚聚氧乙烯醚和硫酸镁在高混机中混合均匀，然后采用高能射线进行照射3分钟，在34摄氏度下干燥并且粉碎成粉末，得到半成品；
步骤六，将半成品放入烧结炉中，在惰性气氛下以10摄氏度/分钟的速度升温至650摄氏度并且保持170分钟，再以22摄氏度/分钟的速度升温至1180摄氏度并且保持6小时，再以16摄氏度/分钟的速度降温至550摄氏度并且保持90分钟，自然冷却至室温即得到成品。
实施例3
一种石墨烯电池用负极材料，包括以下重量份的原料：氧化石墨烯23份、壳聚糖5.5份、碳酸锂4.5份、纳米二氧化硅2.8份、碳纤维9.2份、透明质酸7.5份、六月雪7.7份、壬基酚聚氧乙烯醚1.8份和硫酸镁2.6份。纳米二氧化硅的粒径为54nm，碳纤维的长度为7mm。
所述石墨烯电池用负极材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，将六月雪清洗晾干后破碎至20目，将六月雪粉末加入其体积6倍的质量分数为72％的乙醇水溶液，在密闭环境下加热煮沸并且煮沸后保持33分钟，过滤后，将滤液进行水浴加热，以蒸发乙醇，得六月雪提取液，将六月雪提取液平均分成两份；
步骤二，将壳聚糖、透明质酸和碳纤维混合并且以90rpm的转速球磨均匀，球磨温度为50摄氏度，得到第一混合物；
步骤三，将氧化石墨烯粉碎至180目，将氧化石墨烯粉末加入一份六月雪提取液中并且磁力搅拌，得到石墨烯分散液；
步骤四，将纳米二氧化硅和碳酸锂加入另一份六月雪提取液中并且超声波振荡，超声波振荡的功率为200W，频率为28KHz，得到第二混合物；
步骤五，将第一混合物、第二混合物、石墨烯分散液、壬基酚聚氧乙烯醚和硫酸镁在高混机中混合均匀，然后采用高能射线进行照射4分钟，在35摄氏度下干燥并且粉碎成粉末，得到半成品；
步骤六，将半成品放入烧结炉中，在惰性气氛下以10摄氏度/分钟的速度升温至650摄氏度并且保持160分钟，再以20摄氏度/分钟的速度升温至1180摄氏度并且保持5小时，再以15摄氏度/分钟的速度降温至540摄氏度并且保持80分钟，自然冷却至室温即得到成品。
实施例4
一种石墨烯电池用负极材料，包括以下重量份的原料：氧化石墨烯25份、壳聚糖6份、碳酸锂5份、纳米二氧化硅3.3份、碳纤维10份、透明质酸8份、六月雪8份、壬基酚聚氧乙烯醚2份和硫酸镁3份。壳聚糖的相对分子量为3.2×105-4.6×105。纳米二氧化硅的粒径为60nm，碳纤维的长度为6mm。
所述石墨烯电池用负极材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，将六月雪清洗晾干后破碎至30目，将六月雪粉末加入其体积6倍的质量分数为72％的乙醇水溶液，在密闭环境下加热煮沸并且煮沸后保持33分钟，过滤后，将滤液进行水浴加热，以蒸发乙醇，得六月雪提取液，将六月雪提取液平均分成两份；
步骤二，将壳聚糖、透明质酸和碳纤维混合并且以75rpm的转速球磨均匀，球磨温度为55摄氏度，得到第一混合物；
步骤三，将氧化石墨烯粉碎至180目，将氧化石墨烯粉末加入一份六月雪提取液中并且磁力搅拌，得到石墨烯分散液；
步骤四，将纳米二氧化硅和碳酸锂加入另一份六月雪提取液中并且超声波振荡，超声波振荡的功率为240W，频率为30KHz，得到第二混合物；
步骤五，将第一混合物、第二混合物、石墨烯分散液、壬基酚聚氧乙烯醚和硫酸镁在高混机中混合均匀，然后采用高能射线进行照射3分钟，在38摄氏度下干燥并且粉碎成粉末，得到半成品；
步骤六，将半成品放入烧结炉中，在惰性气氛下以12摄氏度/分钟的速度升温至640摄氏度并且保持180分钟，再以22摄氏度/分钟的速度升温至1220摄氏度并且保持4小时，再以16摄氏度/分钟的速度降温至550摄氏度并且保持90分钟，自然冷却至室温即得到成品。
对比例1
除不含有六月雪，其余原料和制备方法均与实施例2相同。
对比例2
采用现有产品作为对比例2。
将实施例1-4的产品和对比例1-2的产品进行性能测试，分别以使上述复合材料作为负极，锂片作为对电极，美国Celgard为隔膜，1mol/L的LiPF6/EC+DMC[V(EC)∶V(DMC)＝1∶1]为电解液，在充满氮气的不锈钢手套箱中装配成扣式电池。在Land-BTL10(蓝电)全自动电池程控测试仪上进行恒流恒压充放电测试，测试结果见表1。
表1
从表1中可以看出，实施例1-4的产品在首次库伦效率和电容量上均优于对比例1-2的产品，实施例1-4的产品在循环稳定性上也优于对比例1-2的产品。
本发明将六月雪进行提取，然后将石墨烯和纳米二氧化硅分别用六月雪提取液改性，提高表面官能团的活性，再将各种原料在高混机中混合并且用高能射线照射，有利于锂离子的嵌入和脱出，从而提高了负极的比容量，石墨烯中少量微孔的存在，有利于电解液的浸润和锂离子的传输，大大提高了材料的导电性和充放电性能，提高循环稳定性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种石墨烯电池用负极材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：氧化石墨烯16-25份、壳聚糖4-6份、碳酸锂3-5份、纳米二氧化硅1.8-3.3份、碳纤维6-10份、透明质酸5-8份、六月雪4-8份、壬基酚聚氧乙烯醚1.2-2份和硫酸镁1.5-3份。
2.根据权利要求1所述的石墨烯电池用负极材料，其特征在于，所述壳聚糖的相对分子量为3.2×105-4.6×105。
3.根据权利要求1所述的石墨烯电池用负极材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径为32-84nm，碳纤维的长度为4-8mm。
4.一种如权利要求1-3任一所述的石墨烯电池用负极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，将六月雪清洗晾干后破碎至20-30目，将六月雪粉末加入其体积4-8倍的质量分数为60-75%的乙醇水溶液，在密闭环境下加热煮沸并且煮沸后保持20-35分钟，过滤后，将滤液进行水浴加热，以蒸发乙醇，得六月雪提取液，将六月雪提取液平均分成两份；
步骤二，将壳聚糖、透明质酸和碳纤维混合并且以60-90rpm的转速球磨均匀，球磨温度为45-60摄氏度，得到第一混合物；
步骤三，将氧化石墨烯粉碎至180-200目，将氧化石墨烯粉末加入一份六月雪提取液中并且磁力搅拌，得到石墨烯分散液；
步骤四，将纳米二氧化硅和碳酸锂加入另一份六月雪提取液中并且超声波振荡，得到第二混合物；
步骤五，将第一混合物、第二混合物、石墨烯分散液、壬基酚聚氧乙烯醚和硫酸镁在高混机中混合均匀，然后采用高能射线进行照射3-5分钟，在30-40摄氏度下干燥并且粉碎成粉末，得到半成品；
步骤六，将半成品放入烧结炉中，在惰性气氛下以8-12摄氏度/分钟的速度升温至600-660摄氏度并且保持150-200分钟，再以18-25摄氏度/分钟的速度升温至1100-1250摄氏度并且保持4-6小时，再以15-20摄氏度/分钟的速度降温至520-550摄氏度并且保持60-90分钟，自然冷却至室温即得到成品。
5.根据权利要求4所述的石墨烯电池用负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤四中超声波振荡的功率为180-240W，频率为25-30KHz。
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