CN109449443A - 一种多孔石墨烯/银纳米粒子复合锂金属二次电池负极集流体的制备方法 - Google Patents

一种多孔石墨烯/银纳米粒子复合锂金属二次电池负极集流体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔石墨烯/银纳米粒子复合锂金属二次电池负极集流体的制备方法，所述方法步骤如下：1，将氧化石墨烯在水溶液中分散形成均匀氧化石墨烯溶液。2，将银纳米粒子加入到微/纳米微球模板溶液中，在紫外光照射下充分搅拌使银纳米粒子均匀负载于模板微球上。3，将1和2中获得的溶液进行混合，并于超声波清洗机内超声。4，将3中得到的混合溶液进行真空抽滤，得到氧化石墨烯、微/纳米模板微球、银纳米粒子复合材料。5，将4中得到的复合材料进行处理，去除微/纳米模板微球，得到多孔氧化石墨烯/银纳米粒子材料，最后进行烧结处理，得到所需的多孔石墨烯/银纳米粒子复合材料。该材料可直接用于锂金属二次电池负极中。

Description

一种多孔石墨烯/银纳米粒子复合锂金属二次电池负极集流 体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂金属电池材料的制备方法，具体涉及一种锂金属二次电池负极集流体的制备方法。
背景技术
1.金属锂由于其具有高理论容量(3860mA h g-1)和低电化学势(-3.04V，相对于标准氢电极)，已成为下一代高比能锂电池负极的必然选择。然而，金属锂负极在反复的锂剥离/沉积过程中，表面不受控制的枝晶生长，会造成电池循环寿命短和安全性能差等问题，使得金属锂负极的应用受到严重阻碍。
2.石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定。此外，石墨烯是已知的最薄的一种材料，并且具有极高的比表面积、超强的导电性和优异的机械性能，这些优点使其在能源电池方面有很广泛的应用前景。
3.多孔石墨烯具有很大的比表面积，能够减少锂沉积过程中的局部电流密度，这有利于锂的均匀沉积。银纳米粒子作为锂金属负极沉积晶种，能够有效降低锂金属的成核过电位，并引导锂均匀的沉积，在很大程度上能够抑制枝晶的产生。
发明内容
1.本发明的目的在于提供一种多孔石墨烯/银纳米粒子复合锂金属二次电池负极集流体的制备方法，多孔石墨烯具有更大的比表面积，能够减少局部电流密度，有利于锂的均匀沉积。银纳米粒子作为锂金属负极沉积晶种，能够有效降低锂沉积过程中的过电位，具有良好的锂亲和性。该复合材料用作锂金属二次电池负极集流体能够明显抑制锂枝晶的形成，有效提高锂金属二次电池的循环寿命。
2.本发明的目的在于提供一种多孔石墨烯/银纳米粒子复合锂金属二次电池负极集流体的制备方法，该方法包含如下步骤：
a)将氧化石墨烯在水溶液中分散形成均匀氧化石墨烯溶液。
b)将银纳米粒子加入到微/纳米微球模板溶液中，在紫外光照射下充分搅拌使银纳米粒子均匀负载于微球上。
c)将步骤a和步骤b中获得的溶液混合，并于超声波清洗机内超声。
d)将步骤c中得到的混合溶液进行真空抽滤，得到氧化石墨烯、微/纳米模板微球、银纳米粒子复合材料。
e)将步骤d中得到的复合材料进行处理，去除微/纳米模板微球，得到多孔氧化石墨烯/银纳米粒子材料，最后进行烧结处理，得到所需的多孔石墨烯/银纳米粒子复合材料
3.所述的氧化石墨烯的浓度为0.5-5mg/ml,分散方式为超声分散，分散时间为10-60min。
4.所述的微/纳米模板微球为聚苯乙烯微球和二氧化硅微球中的至少一种。微球的粒径为300nm-1.7um，微球的质量分数为0.5％-2％。
5.所述的银纳米粒子的加入量为氧化石墨烯的0.1％-0.5％。
6.所述的去除微/纳米模板微球的方法为溶剂浸泡和烧结处理。所述溶剂为丙酮、四氢呋喃、甲苯、氟化氢中的至少一种。烧结处理温度为300-400℃，处理时间为3-6h。
7.所述的氧化石墨烯烧结为石墨烯的处理温度为800-1000℃，处理时间为3-6h。
8.本发明具有下列特点和有益效果：
9.采用微/纳米微球为模板，一方面可通过改变微球粒径达到调控多孔石墨烯的孔径，另一方面，微球可作为载体使得银纳米粒子均匀分散在石墨烯中，避免银纳米粒子在复合过程中的团聚问题。多孔石墨烯具有很大的比表面积，能够减少局部电流密度，有利于锂的均匀沉积。银纳米粒子作为锂金属负极沉积晶种，有效诱导锂均匀沉积，从而有效降低锂沉积过程中的过电势，所以该复合材料用作锂金属二次电池负极集流体能够明显抑制锂枝晶的形成，有效提高锂金属二次电池的使用寿命，具有一定的实际应用价值。
附图说明
图1为实施例1中制备的多孔石墨烯/银纳米粒子复合材料的扫描电镜图
图2为实施例1中制备的多孔石墨烯/银纳米粒子复合材料与铜片组装的半电池在1mA/cm2，4mAh/cm2测试条件下的库伦效率图
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
未做特别说明的情况下，本申请中所述原料如氧化石墨烯、苯乙烯、银纳米粒子等均从阿拉丁公司或国药集团化学试剂有限公司购买。
本申请的实施例中分析方法如下：
利用美国FEI公司Sirion200场发射扫描电镜热场进行SEM分析。
利用武汉蓝电公司CT2001A蓝电电池测试系统进行电化学性能分析。
实施例1
a)将氧化石墨烯在水溶液中超声1h配置成浓度为0.5mg/ml的均匀氧化石墨烯溶液
b)向质量分数为0.5％的聚苯乙烯微球(粒径为720nm)溶液中加入氧化石墨烯量0.1％的银纳米粒子，在紫外光照射下磁力搅拌20min
c)将a和b步骤中的溶液充分混合并于磁力搅拌器上搅拌20min
d)将c步骤中的溶液进行真空抽滤，得到氧化石墨烯/聚苯乙烯微球/银纳米粒子复合材料
e)将d步骤中的材料在300℃条件下处理6h(2℃/min)去除聚苯乙烯模板微球，接着在800℃条件下处理6h(5℃/min)得到所需的多孔石墨烯/银纳米粒子复合材料实施例2
a)将氧化石墨烯在水溶液中超声1h配置成浓度为1mg/ml的均匀氧化石墨烯溶液
b)向质量分数为0.5％的二氧化硅微球(粒径为280nm)溶液中加入氧化石墨烯量0.2％的银纳米粒子，在紫外光照射下磁力搅拌30min
c)将a和b步骤中的溶液充分混合并于磁力搅拌器上搅拌30min
d)将c步骤中的溶液进行真空抽滤，得到氧化石墨烯/二氧化硅微球/银纳米粒子复合材料
e)将d步骤中的材料在氟化氢溶液中浸泡30min去除二氧化硅模板，接着在800℃条件下处理6h(5℃/min)得到所需材料
实施例3
a)将氧化石墨烯在水溶液中超声1h配置成浓度为2mg/ml的均匀氧化石墨烯溶液
b)向质量分数为1％的聚苯乙烯微球(粒径为320nm)溶液中加入氧化石墨烯量0.3％的银纳米粒子，在紫外光照射下磁力搅拌40min
c)将a和b步骤中的溶液充分混合并于磁力搅拌器上搅拌40min
d)将c步骤中的溶液进行真空抽滤，得到氧化石墨烯/聚苯乙烯微球/银纳米粒子复合材料
e)将d步骤中的材料在400℃条件下处理3h(2℃/min)去除聚苯乙烯模板，接着在900℃条件下处理4h(5℃/min)得到所需材料
实施例4
a)将氧化石墨烯在水溶液中超声1h配置成浓度为3mg/ml的均匀氧化石墨烯溶液
b)向质量分数1％的二氧化硅微球(550nm)溶液中加入氧化石墨烯量0.4％的银纳米粒子，在紫外光照射下磁力搅拌50min
c)将a和b步骤中的溶液充分混合并于磁力搅拌器上搅拌50min
d)将c步骤中的溶液进行真空抽滤，得到氧化石墨烯/二氧化硅微球/银纳米粒子复合材料
e)将d步骤中的材料在氟化氢溶液中浸泡60min去除二氧化硅模板，接着在1000℃条件下处理3h(5℃/min)得到所需材料
实施例5
a)将氧化石墨烯在水溶液中超声1h配置成浓度为4mg/ml的均匀氧化石墨烯溶液
b)向质量分数为2％的聚苯乙烯微球(粒径为1.7um)溶液中加入氧化石墨烯量0.5％的银纳米粒子，在紫外光照射下磁力搅拌60min
c)将a和b步骤中的溶液充分混合并于磁力搅拌器上搅拌60min
d)将c步骤中的溶液进行真空抽滤，得到氧化石墨烯/聚苯乙烯微球/银纳米粒子复合材料
e)将d步骤中的材料在400℃条件下处理3h(2℃/min)去除聚苯乙烯模板，接着在1000℃条件下处理3h(5℃/min)得到所需材料
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (8)

1.一种多孔石墨烯/银纳米粒子复合锂金属二次电池负极集流体的制备方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：步骤1，将氧化石墨烯在水溶液中分散形成均匀氧化石墨烯溶液。步骤2，将银纳米粒子加入到微/纳米微球模板溶液中，在紫外光照射下充分搅拌使银纳米粒子均匀负载于微球上。步骤3，将步骤1和步骤2中获得的溶液进行混合，并于超声波清洗机内超声。步骤4，将步骤3中得到的混合溶液进行真空抽滤，得到氧化石墨烯、微/纳米模板微球、银纳米粒子复合材料。步骤5，将步骤4中得到的复合材料进行处理，去除微/纳米模板微球，得到多孔氧化石墨烯/银纳米粒子材料，最后进行烧结处理，得到所需的多孔石墨烯/银纳米粒子复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的浓度为0.5-5mg/ml,分散方式为超声分散，分散时间为10-60min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微/纳米模板微球为聚苯乙烯微球和二氧化硅微球中的至少一种。微球的粒径为300nm-1.7um，微球的质量分数为0.5％-2％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述银纳米粒子的加入量为氧化石墨烯的0.1％-0.5％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除微/纳米模板微球的方法为溶剂浸泡和烧结处理中的一种。所述溶剂为丙酮、四氢呋喃、甲苯、氟化氢中的至少一种。烧结处理温度为300-400℃，处理时间为3-6h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯烧结为石墨烯的处理温度为800-1000℃，处理时间为3-6h。
7.一种锂金属二次电池负极集流体，其特征在于，可由权利要求1-6中任一项所述方法制备得到。
8.根据权利1-7所述方法制备的锂金属二次电池负极集流体可应用于锂空气电池和锂硫电池中。
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