CN109860558A - 一种锂离子电池用石墨烯-氧化铁膜及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用石墨烯‑氧化铁膜及其制备方法，该石墨烯‑氧化铁膜具有易制备、可调控、可规模化的特点。该石墨烯‑氧化铁膜可以依据不同的前驱体浓度而得到不同的性能，比容量最高可以达到725mAh g^‑1，在便携器件、柔性储能等领域都有潜在的应用价值。

Description

一种锂离子电池用石墨烯-氧化铁膜及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种石墨烯-氧化铁膜及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池是一种重要的储能器件，一般具有非常高的电压(大于3V)以及可观的能量密度(电极能量密度大于500W h kg^-1)，早已在手机、电脑等电子产品上获得广泛应用，近年来更是在商用汽车以及航空航天领域都有重要的发挥。锂离子电池的负极一直是研究重点，这其中大多是以碳材料作为商业化使用的电极材料，其存在比容量较低的缺点。为了提升纯碳材料的比容量，研究者们通常会引入过渡金属氧化物，而这其中氧化铁就是非常重要的负极材料之一。然而，氧化铁与碳材料的复合很难同时实现有序性与规模化，如何简单方便制备碳材料与氧化铁的复合电极是目前面临的问题之一。

石墨烯是一种由碳原子组成的二维层状材料，其独特的高比表面积以及高导电性使其成为了储能领域关注的重点。氧化石墨烯作为石墨烯材料最广泛应用的前驱体，具有非常好的加工性能，能通过各种对高分子的常见技术工序获得纤维、膜以及块体材料。利用氧化石墨烯的可加工性能获得石墨烯-氧化铁膜电极被认为是一种新型的有效的制备锂离子电池负极的方法。目前已经有相关文献报道了石墨烯与氧化铁的复合膜的制备以及其在锂离子电池方面的应用，但是，高效快速大规模获取有序组装的石墨烯-氧化铁膜电极仍然是目前工业界难以实现的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种石墨烯-氧化铁膜及其制备方法与应用。

本发明通过以下技术方案实现：一种石墨烯-氧化铁膜，在石墨烯的层间原位生成氧化铁纳米晶体、氧化铁纳米晶体均匀分布于石墨烯层之间，石墨烯形成导电网络，两层相邻的石墨烯层之间具有π-π键作用；氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为在1-200nm，其中，氧化铁纳米晶体的质量含量为3～87％。

进一步地，所述氧化铁纳米晶体的质量含量为27％，氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为5-10nm。

一种石墨烯-氧化铁膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散液从矩形喷口挤出后，注入含有三价铁离子的凝固浴中，通过流场牵伸作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。其中凝固浴中三价铁离子的浓度为0.1-10wt％；

(2)将得到的铁离子交联的水凝胶膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热反应。水热温度为120-200摄氏度，反应时间为0.5-24h。

(3)将水热反应得到的黑色水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化铁膜。

进一步地，所述步骤1中，氧化石墨烯分散液的浓度为10-20mg g^-1。

进一步地，所述步骤1中，凝固浴中的三价铁离子通过硝酸铁、氯化铁或者硫酸铁方式引入。

进一步地，所述步骤1中，流场牵伸速度为0.1-2cm s^-1。

上述石墨烯-氧化铁膜作为锂离子电池负极材料的应用。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明利用石墨烯提供电池容量和电子传输能力，夹杂于石墨烯层之间的氧化铁晶体层贡献较高的电化学活性，由此构成了双连续相，石墨烯较好的电子传输能力促进了电化学反应过程中的电子流动，进一步提高了电化学活性。故而较传统的技术得到的电极相比具有更好的比容量与循环寿命，初始比容量达到了700mAh g^-1，经过100次充放电循环仍然能获得390mAh g^-1的比容量。

(2)本发明基于三价铁离子特殊的电子云结构，相比于其他常用的掺杂金属锰钴镍，实现了在石墨烯层间的高浓度掺杂，大大提高了电池的比容量。

(3)湿纺组装得到的石墨烯-氧化铁膜膜具有很好的有序性，使得复合膜具有更好的导电性和自支撑能力。

(4)石墨烯层间原位生成氧化铁纳米粒子的制备方法较传统的氧化铁先制备后与石墨烯机械共混的方法更为简单方便，且适用于大规模生产。

附图说明

图1是湿纺得到的铁离子交联的氧化石墨烯膜。

图2是石墨烯-氧化铁膜的横截面扫面电镜图。

图3是0.1％质量分数的硝酸铁溶液作为凝固浴下、最终得到的石墨烯-氧化铁膜的循环稳定性。

图4是10％质量分数的硫酸铁溶液作为凝固浴下、最终得到的石墨烯-氧化铁膜的循环稳定性。

图5是1％质量分数的三氯化铁溶液作为凝固浴下、最终得到的石墨烯-氧化铁膜的循环稳定性。

图6为对比例1获得的石墨烯-氧化镍膜的横截面扫面电镜图。

图7为对比例1获得的石墨烯-氧化锰膜的横截面扫面电镜图。

图8为石墨烯-氧化铁膜的XRD图谱，其中除了α氧化铁的特征峰以外，还具有典型的石墨的002峰，这体现了石墨层间仍然具有π-π键，从而保证了层间电子的传输。

具体实施方式

本发明使用三价铁离子作为交联剂和铁源。氧化石墨烯分散液以适当浓度进行湿纺，转入含有三价铁离子的凝固浴中，铁离子与石墨烯片层的含氧官能团鳌合，均匀分散于片层间；利用流场的牵伸作用可以获得连续化的水凝胶膜，均匀性好，如图1所示。将该水凝胶膜在水浴中水热处理后，生成氧化铁，氧化石墨烯部分还原，得到具有导电性的黑色膜，烘干由卷绕器收集。

上述石墨烯-氧化铁膜内部呈现非常好的有序结构。如图2所示，其整体仍然具有很好的层状结构，石墨烯片层清晰；放大后发现石墨烯片呈现多褶的形貌特点，氧化铁纳米粒子均匀分布于石墨烯层间，且可以依据不同的铁离子含量而控制尺寸在1-200nm之间，故而非常有利于氧化铁电化学性能的发挥。

此外，产物的XRD结果表明，该石墨烯-氧化铁膜具有002峰，如图8所示，表明其中含有大量的π-π键作用，这为导电网络的构建、电子传输能力的提升奠定了基础。

上述石墨烯-氧化铁膜可作为锂离子电池负极材料应用于电子器件、柔性储能、电动汽车等领域，在保证高导电性的同时显著提高了锂离子反应活性。基于以上特征，本发明的石墨烯-氧化铁膜作为锂离子电池负极材料显著提高了原本碳材料较低的比容量，获得了自支撑的高比容量负极。同时其兼具一定的柔韧性，有希望在便携式电能存储以及高能量需求的电器上获得应用。

下面通过实施例对本发明进行具体描述，本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述发明的内容做出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围。

实施例1：

(1)以10mg g^-1氧化石墨烯分散液通过矩形喷口注入含有铁离子的凝固浴中，其凝固浴是硝酸铁溶液，质量分数为0.1％。在凝固浴中，以0.1cm s^-1速度的流场牵伸的作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。

(2)将得到的铁离子交联的氧化石墨烯膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热，保持0.5h的高温，温度为120摄氏度。

(3)将得到的黑色水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化铁膜。经TEM测试，石墨烯层间的氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为1-2nm，TGA分析得到氧化铁纳米晶体的质量含量为3％。

如图3所示，经过以上步骤，得到的石墨烯-氧化铁膜电极在首圈充放电之后具有318mAh g^-1的比容量，经过100次充放电后比容量保持为156mAh g^-1，循环保持率为49％。

实施例2：

(1)以12mg g^-1氧化石墨烯分散液通过矩形喷口注入含有铁离子的凝固浴中，其凝固浴是硝酸铁，质量分数为5％。在凝固浴中，以1.5cm s^-1速度的流场牵伸的作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。

(2)将得到的铁离子交联的氧化石墨烯膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热，保持12h的高温，温度为150摄氏度。

(3)将得到的黑色水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化铁膜电极。经TEM测试，石墨烯层间的氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为100-150nm，TGA分析得到氧化铁纳米晶体的质量含量为46％。

经过以上步骤，得到的石墨烯-氧化铁膜作为锂离子电池负极材料，该锂离子电池在首圈充放电之后具有374mAh g^-1的比容量，经过100次充放电后比容量保持为190mAh g^-1，循环保持率为51％。

实施例3：

(1)以20mg g^-1氧化石墨烯分散液通过矩形喷口注入含有铁离子的凝固浴中，其凝固浴是硫酸铁，质量分数为10％。在凝固浴中，以2cm s^-1速度的流场牵伸的作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。

(2)将得到的铁离子交联的氧化石墨烯膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热，保持24h的高温，温度为200摄氏度。

(3)将得到的黑色水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化铁膜电极。经TEM测试，石墨烯层间的氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为150-200nm，TGA分析得到氧化铁纳米晶体的质量含量为87％。

如图4所示，经过以上步骤，得到的石墨烯-氧化铁膜作为锂离子电池负极材料，该锂离子电池在首圈充放电之后具有516mAh g^-1的比容量，经过100次充放电后比容量保持为76mAh g^-1，循环保持率为15％。

实施例4：

(1)以12mg g^-1氧化石墨烯分散液通过矩形喷口注入含有铁离子的凝固浴中，其凝固浴是三氯化铁，质量分数为0.5％。在凝固浴中，以0.5cm s^-1速度的流场牵伸的作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。

(2)将得到的铁离子交联的氧化石墨烯膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热，保持5h的高温，温度为160摄氏度。

(3)将得到的黑色水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化铁膜电极。经TEM测试，石墨烯层间的氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为3-5nm，TGA分析得到氧化铁纳米晶体的质量含量为17％。

经过以上步骤，得到的石墨烯-氧化铁膜作为锂离子电池负极材料，该锂离子电池在首圈充放电之后具有452mAh g^-1的比容量，经过100次充放电后比容量保持为210mAh g^-1，循环保持率为46％。

实施例5：

(1)以15mg g^-1氧化石墨烯分散液通过矩形喷口注入含有铁离子的凝固浴中，其凝固浴是三氯化铁，质量分数为1％。在凝固浴中，以1cm s^-1速度的流场牵伸的作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。

(2)将得到的铁离子交联的氧化石墨烯膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热，保持2h的高温，温度为180摄氏度。

(3)将得到的黑色水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化铁膜电极。经TEM测试，石墨烯层间的氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为在5-8nm，TGA分析得到氧化铁纳米晶体的质量含量为27％。

如图5所示，经过以上步骤，得到的石墨烯-氧化铁膜作为锂离子电池负极材料，该锂离子电池在首圈充放电之后具有725mAh g^-1的比容量，经过100次充放电后比容量保持为390mAh g^-1，循环保持率为54％。这个实施例得到的石墨烯-氧化铁膜电极为所有实施例的最佳值。

对比例1：

(1)以10mg g^-1氧化石墨烯分散液通过矩形喷口注入含有镍离子的凝固浴中，其凝固浴是醋酸镍溶液，质量分数为1％。在凝固浴中，以0.1cm s^-1速度的流场牵伸的作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。

(2)将得到的镍离子交联的氧化石墨烯膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热，保持0.5h的高温，温度为120摄氏度。

(3)将得到的水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化镍电极。经TEM测试，石墨烯层间的氧化镍纳米晶体的晶粒尺寸为在5-10nm，TGA分析得到氧化镍纳米晶体的质量含量为5％。其形貌如图6所示。

经过以上步骤，得到的石墨烯-氧化镍膜作为锂离子电池负极材料，该锂离子电池在首圈充放电之后具有130mAh g^-1的比容量，经过100次充放电后比容量保持为74mAh g^-1，循环保持率为57％。

经多次参数调试，氧化镍的掺杂含量最高不到10％。

对比例2：

(1)以10mg g^-1氧化石墨烯分散液通过矩形喷口注入含有锰离子的凝固浴中，其凝固浴是醋酸锰溶液，质量分数为1％。在凝固浴中，以0.1cm s^-1速度的流场牵伸的作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。

(2)将得到的锰离子交联的氧化石墨烯膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热，保持0.5h的高温，温度为120摄氏度。

(3)将得到的水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化锰膜。经TEM测试，石墨烯层间的氧化锰纳米晶体的晶粒尺寸为在20-50nm，TGA分析得到氧化锰纳米晶体的质量含量为9％。其形貌如图7所示。

经过以上步骤，得到的石墨烯-氧化锰膜作为锂离子电池负极材料，该锂离子电池在首圈充放电之后具有210mAh g^-1的比容量，经过100次充放电后比容量保持为94mAh g^-1，循环保持率为45％。

经多次参数调试，氧化锰的掺杂含量最高不到15％。

Claims (7)

1.一种石墨烯-氧化铁膜，其特征在于，在石墨烯的层间原位生成氧化铁纳米晶体、氧化铁纳米晶体均匀分布于石墨烯层之间，石墨烯形成导电网络，两层相邻的石墨烯层之间具有π-π键作用。氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为在1-200nm，其中，氧化铁纳米晶体的质量含量为3～87％。

2.根据权利要求1所述的石墨烯-氧化铁膜，其特征在于，所述氧化铁纳米晶体的质量含量为27％，氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为5-10nm。

3.一种石墨烯-氧化铁膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散液从矩形喷口挤出后，注入含有三价铁离子的凝固浴中，通过流场牵伸作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。其中凝固浴中三价铁离子的浓度为0.1-10wt％；

(2)将得到的铁离子交联的水凝胶膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热反应。水热温度为120-200摄氏度，反应时间为0.5-24h。

(3)将水热反应得到的黑色水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化铁膜。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，氧化石墨烯分散液的浓度为10-20mg g^-1。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，凝固浴中的三价铁离子通过硝酸铁、氯化铁或者硫酸铁方式引入。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，流场牵伸速度为0.1-2cm s^-1。

7.如权利要求1所述的石墨烯-氧化铁膜作为锂离子电池负极材料的应用。