CN113955747A - 一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，属于锂离子电池技术领域。该方法是以石墨烯为包覆剂，以天然石墨为原料使用喷雾干燥法来制备高性能锂离子电池负极材料。首先将石墨烯粉体与溶剂按一定比例配成分散液，然后与天然石墨按一定比例混合均匀，最后通过控制喷雾干燥参数，获得石墨烯包覆天然石墨负极材料。本发明采用石墨烯为包覆剂，将天然石墨负极材料包覆起来形成“核壳”结构，与电解液相容性好，避免了溶剂化锂离子的共嵌而导致的石墨层的剥离，同时缓冲了天然石墨极颗粒在充放电过程中的体积膨胀，极大提高了天然石墨的循环性能和大电流充放电性能。本发明具有工艺简单，成本低，产品包覆效果好。

Description

一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法以及在锂离子电池方面的应用，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
随着社会的飞速发展，不可再生能源日渐减少，能源危机越来越突出，环境污染日趋严重。因此，人类迫切需要开发清洁的新能源。锂离子电池自20世纪90年代初问世化以来，凭借其高输出电压、长循环寿命、自放电率低、无记忆性和绿色环保等优点，被广泛应用于电子产品等领域，随着汽车电动化的发展趋势，锂离子电池具有非常广阔的前景。
天然石墨作为锂电池非常重要的负极材料，具有充放电电压平台低，比容量高等诸多优势。但同时也存在诸多问题，比如与电解液相容性较差，易发生溶剂化锂离子共嵌而导致的石墨层的剥离，最终导致电池循环性能变差。这些问题的存在影响了天然石墨在高端产品的应用，因此，我们需要对天然石墨负极材料进行改性处理。
目前主要的改性方法有：机械研磨法、表面氧化法、包覆改性法及掺杂改性法，其中包覆改性法是天然石墨负极材料常用的方法。文献“Spherical natural graphitecoated by a thick layer of carbonaceous mesophase for use as an anodematerial in lithium ion batteries(Journal of applied electrochemistry,2009,39(7):1081-1086)”以天然球形石墨和煤沥青为原料，经高温炭化制得了一种碳包覆天然石墨材料。包覆后，沥青包覆的天然石墨首次库伦效率提高了5％，并表现出良好的循环稳定性及倍率性能。文献“酚醛树脂包覆氧化天然石墨作为锂离子电池负极材料(物理化学学报,2011,27(9):2129-2134)”将酚醛树脂包覆在天然石墨表面，然后进行高温炭化处理，制备出了具有“核壳”结构的碳包覆氧化天然石墨负极材料。专利CN111081989A将高软化点沥青与球形天然石墨加入到VC混合机内，充分混合40-50min，然后将混合好的物料取出装入石墨坩埚，送入高砂窑内，窑内通N2保护，升温至1040-1060℃并保温3-4h，样品炭化完毕后取出，经过打散机机械打散，完毕后物料过200目筛筛分，即得沥青包覆球形天然石墨。该方法简便、快捷、易操作，制备的沥青包覆球形天然石墨负极材料具有较高的可逆容量和良好的循环性能，可大规模制备。综上来看，这些研究工作大多采用沥青或硬炭材料包覆天然石墨，虽然包覆的球形天然石墨负极材料具有较高的可逆容量和良好的循环性能，但整个工艺过程复杂，需要高温炭化，能耗较高。因此，寻找新型材料，降低能耗，简化工艺流程，是目前学术界和产业界亟待解决的一个难题。石墨烯具有独特的二维晶体结构和良好的导电性，将其包覆到天然石墨负极材料上，有利于提高材料的循环稳定性能。专利CN108281634A通过氧化石墨烯水溶液与石墨超声混合，然后除去溶剂，得到干燥的固体粉末，最后在惰性气氛下，600-1400℃处理1-4h，冷却即得到石墨烯包覆的锂离子电池石墨负极材料。该方法包覆效果好，纯度高，但后续需要在高温条件下还原氧化石墨烯，能耗较高。通过改进包覆工艺，利用石墨烯的柔性结构，将石墨烯包覆在天然石墨表面，来提高天然石墨的电化学性能，这对天然石墨在高端产品的应用具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种以石墨烯为包覆剂，通过液相包覆喷雾干燥法制备石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法。
本发明所用的技术方案：一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤(1)将一定质量的石墨烯粉体超声溶于溶剂中，得到不同浓度的石墨烯分散液；
步骤(2)将天然石墨原料与石墨烯分散液按一定比例充分混合均匀，得到混合液；
步骤(3)将步骤(2)得到的混合液，使用蠕动泵吸入喷雾干燥器中，在一定温度、雾化频率下干燥处理，得到石墨烯包覆天然石墨负极材料。
优选的，所述步骤(1)的石墨烯层数为1-3层，片层直径0.5-20um，厚度0.5-3nm。
优选的，所述步骤(1)的石墨烯溶液浓度为：0.1-2.5mg/mL。
优选的，所述步骤(1)的溶剂为水、乙醇、N-甲基吡咯烷酮。
优选的，所述步骤(2)的石墨烯与天然石墨的质量比为(0.005-0.05):1。
优选的，所述步骤(3)中的蠕动泵进料频率为40-80mL/min。
优选的，所述步骤(3)中的干燥温度为150-250℃。
优选的，所述步骤(3)中的雾化频率为250-500Hz。
本发明具有以下优点：
(1)本方法采用液相包覆喷雾干燥法，具有制备过程简单，成本低，无污染，适合规模化生产。
(2)本方法采用具有柔性结构的石墨烯为包覆剂，将天然石墨包覆起来形成“核壳”结构，包覆效果好。
(3)本方法所制备的样品具有“核壳”结构，与电解液相容性好，避免了溶剂化锂离子的共嵌而导致的石墨层的剥离问题，同时缓冲了天然石墨颗粒在充放电过程中的体积膨胀，极大提高了天然石墨的循环性能和大电流充放电性能。
附图说明
图1为发明实施案例1制备的石墨烯包覆天然石墨负极材料的扫描电子显微镜图。
图2为发明实施案例1制备的石墨烯包覆天然石墨负极材料在0.2C电流密度下的循环性能曲线。
图3为发明实施案例1制备的石墨烯包覆天然石墨负极材料在不同电流密度下的倍率性能曲线。
具体实施示例
下面以实施的方式对本发明做进一步的说明，但不构成对本发明的限制。
实施例1
将0.05g氧化石墨烯溶于50mL的乙醇中，在超声搅拌下配成1mg/mL浓度的石墨烯分散液，将配好的的石墨烯分散液和10g天然石墨加入到搅拌机中，调节搅拌转速为30r/min，搅拌0.5h后，得到混合液。设置喷雾干燥器的干燥温度为250℃温度、雾化频率350Hz，将得到的混合液使用蠕动泵以60mL/min进料速率吸入喷雾干燥器中干燥处理，得到石墨烯包覆量为0.5％的石墨烯包覆天然石墨负极材料。
将所得石墨烯包覆天然石墨负极材料组装电池，按样品：导电剂乙炔黑：聚偏氟乙烯＝80：10：10的比例制备工作电极，金属锂片为参考电极，测试其循环性能。测试条件为25℃，电流密度0.2C，电压范围0.01-2V。
如附图2所示，所得石墨烯包覆天然石墨负极材料，在0.2C的电流密度下，可逆比容量为370.1mAh/g。在0.2C的电流密度下，循环50次后，可逆比容量为363.9mAh/g，容量保持率为98.3％。
实施例2
将0.5g氧化石墨烯溶于50ml的乙醇中，在超声搅拌下配成1mg/mL浓度的石墨烯分散液，将配好的的石墨烯分散液和10g天然石墨加入到搅拌机中，调节搅拌转速为30r/min，搅拌0.5h后，得到混合液。设置喷雾干燥器的干燥温度为250℃温度、雾化频率350Hz，将得到的混合液使用蠕动泵以60mL/min进料速率吸入喷雾干燥器中干燥处理，得到石墨烯包覆量为5％的石墨烯包覆天然石墨负极材料。在0.2C的电流密度下，可逆比容量为387.1mAh/g，循环50次后，可逆比容量为376.2mAh/g，容量保持率为97.1％。
实施例3
将0.05g氧化石墨烯溶于50ml的乙醇中，在超声搅拌下配成1mg/mL浓度的石墨烯分散液，将配好的的石墨烯分散液和10g天然石墨加入到搅拌机中，调节搅拌转速为30r/min，搅拌0.5h后，得到混合液。设置喷雾干燥器的干燥温度为250℃温度、雾化频率350Hz，将得到的混合液使用蠕动泵以40mL/min进料速率吸入喷雾干燥器中干燥处理，得到石墨烯包覆量为0.5％的石墨烯包覆天然石墨负极材料。在0.2C的电流密度下，可逆比容量为365.1mAh/g，循环50次后，可逆比容量为353.9mAh/g，容量保持率为96.9％。
实施例4
将0.05g氧化石墨烯溶于50ml的乙醇中，在超声搅拌下配成1mg/mL浓度的石墨烯分散液，将配好的的石墨烯分散液和10g天然石墨加入到搅拌机中，调节搅拌转速为30r/min，搅拌0.5h后，得到混合液。设置喷雾干燥器的干燥温度为250℃温度、雾化频率350Hz，将得到的混合液使用蠕动泵以80mL/min进料速率吸入喷雾干燥器中干燥处理，得到石墨烯包覆量为0.5％的石墨烯包覆天然石墨负极材料。在0.2C的电流密度下，可逆比容量为367.1mAh/g，循环50次后，可逆比容量为352.8mAh/g，容量保持率为96.1％。
实施例5
将0.05g氧化石墨烯溶于50ml的乙醇中，在超声搅拌下配成1mg/mL浓度的石墨烯分散液，将配好的的石墨烯分散液和10g天然石墨加入到搅拌机中，调节搅拌转速为30r/min，搅拌0.5h后，得到混合液。设置喷雾干燥器的干燥温度为150℃温度、雾化频率350Hz，将得到的混合液使用蠕动泵以60mL/min进料速率吸入喷雾干燥器中干燥处理，得到石墨烯包覆量为0.5％的石墨烯包覆天然石墨负极材料。在0.2C的电流密度下，可逆比容量为356.4mAh/g，循环50次后，可逆比容量为340.6mAh/g，容量保持率为95.6％。
实施例6
将0.05g氧化石墨烯溶于50ml的乙醇中，在超声搅拌下配成1mg/mL浓度的石墨烯分散液，将配好的的石墨烯分散液和10g天然石墨加入到搅拌机中，调节搅拌转速为30r/min，搅拌0.5h后，得到混合液。设置喷雾干燥器的干燥温度为250℃温度、雾化频率350Hz，将得到的混合液使用蠕动泵以60mL/min进料速率吸入喷雾干燥器中干燥处理，得到石墨烯包覆量为0.5％的石墨烯包覆天然石墨负极材料。在0.2C的电流密度下，可逆比容量为369.5mAh/g，循环50次后，可逆比容量为358.0mAh/g，容量保持率为96.9％。
实施例7
将0.05g氧化石墨烯溶于50ml的乙醇中，在超声搅拌下配成1mg/mL浓度的石墨烯分散液，将配好的的石墨烯分散液和10g天然石墨加入到搅拌机中，调节搅拌转速为30r/min，搅拌0.5h后，得到混合液。设置喷雾干燥器的干燥温度为250℃温度、雾化频率250Hz，将得到的混合液使用蠕动泵以60mL/min进料速率吸入喷雾干燥器中干燥处理，得到石墨烯包覆量为0.5％的石墨烯包覆天然石墨负极材料。在0.2C的电流密度下，可逆比容量为350mAh/g，循环50次后，可逆比容量为330.4mAh/g，容量保持率为94.4％。
实施例8
将0.05g氧化石墨烯溶于50ml的乙醇中，在超声搅拌下配成1mg/mL浓度的石墨烯分散液，将配好的的石墨烯分散液和10g天然石墨加入到搅拌机中，调节搅拌转速为30r/min，搅拌0.5h后，得到混合液。设置喷雾干燥器的干燥温度为250℃温度、雾化频率500Hz，将得到的混合液使用蠕动泵以60mL/min进料速率吸入喷雾干燥器中干燥处理，得到石墨烯包覆量为0.5％的石墨烯包覆天然石墨负极材料。在0.2C的电流密度下，可逆比容量为363.6mAh/g，循环50次后，可逆比容量为350.4mAh/g，容量保持率为96.4％。
以上已对发明的部分实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下可作出同等的变型或替代，这些等同的变型或替代均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)将一定质量的石墨烯粉体超声溶于溶剂中，得到不同浓度的石墨烯分散液；
步骤(2)将天然石墨与石墨烯分散液按一定比例充分混合均匀，得到混合液；
步骤(3)将步骤(2)得到的混合液，使用蠕动泵吸入喷雾干燥器中，在一定温度、雾化频率下干燥处理，得到石墨烯包覆天然石墨负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的石墨烯层数为1-3层，片层直径0.5-20um，厚度0.5-3nm。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于步骤(1)所述的石墨烯溶液浓度为0.1-2.5mg/mL。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中溶剂为水、乙醇、N-甲基吡咯烷酮。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的石墨烯与天然石墨的质量比为(0.005-0.05):1。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的蠕动泵进料频率为40-80mL/min。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述干燥温度为150-250℃。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆天然石墨负极材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述雾化频率为250-500Hz。
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