本发明涉及电池领域，尤其是一种用于石墨烯电池的阴极材料及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法，薄膜生产方法为化学气相沉积法。由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
在储能方面，石墨烯近年来也得到科研人员的大力研发。二维膜材料作为石墨烯可以实现功能化的一种形态也得到业界大力研究，如今层层自组装紧密堆积的石墨烯膜表现出的高导电性、高强度以及优异的韧性也是业界极为关注的。但是，目前石墨烯用于制作电池中的电极时，比容量低，循环寿命差。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种石墨烯电池的阴极材料及其制备方法，比容量高，电池循环寿命长。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于石墨烯电池的阴极材料，包括以下重量份数的原料：
优选地，所述基材为碳棒、石墨棒或钨棒。
本发明还提供了上述一种用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在真空手套箱内的真空环境下，将炭黑、钛、铂、钨、钼、锂加入到聚酰亚胺导电胶中搅拌均匀后，涂抹在基材表面，干燥后得到初阴极基材；
b)将石墨氧化成氧化石墨，并将氧化石墨中分散在去离子中，加入还原剂，得到预还原石墨烯溶液；
c)将步骤b)得到的预还原石墨烯溶液涂覆到初阴极基材表面，并进行激光照射，干燥，即得用于石墨烯电池的阴极材料。
优选地，所述还原剂为维生素c、水合肼。
优选地，所述还原剂与所述石墨的质量比为1:2～3。
优选地，所述石墨氧化成氧化石墨溶液的制备方法为hummers法。
本发明提供了一种用于石墨烯电池的阴极材料及其制备方法，通过在导电石墨中掺杂钛、铂、钨、钼、锂，不仅保证了阴极材料的高比容量，还能够提高阴极材料的导电性能；阴极材料由三个结构组成，由里至外依次为基材，导电石墨、钛、铂、钨、钼、锂混合物，石墨烯，该结构的阴极材料导电率高，比容量大，在多次充电/放电循环后保持高的阴极比容量，从而提高石墨烯电池的循环寿命。另外，本发明提供的用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法工艺简单，原料成本低廉，适合工业化生产。
具体实施方式
本发明提供的一种用于石墨烯电池的阴极材料，包括以下重量份数的原料：
上述技术方案中，通过在导电石墨中掺杂钛、铂、钨、钼、锂，不仅保证了阴极材料的高比容量，还能够提高阴极材料的导电性能；阴极材料由三个结构组成，由里至外依次为基材，导电石墨、钛、铂、钨、钼、锂混合物，石墨烯，该结构的阴极材料导电率高，比容量大，在多次充电/放电循环后保持高的阴极比容量，从而提高石墨烯电池的循环寿命。
基材在石墨电池中起到导电的作用。在本发明的实施例中，基材为碳棒、石墨棒或钨棒。
在本发明中，基材的重量份数为80～100份；在本发明的实施例中，基材的重量份数为85～95份；在其他实施例中，基材的重量份数为88～92份。
聚酰亚胺导电胶能够使得炭黑、钛、铂、钨、钼、锂牢固的粘附在基材上，改善阴极材料的循环性能和安全性能，提高石墨烯电池的循环使用寿命。在本发明中，聚酰亚胺导电胶的重量份数为2～3份；在本发明的实施例中，聚酰亚胺导电胶的重量份数为2.2～2.8份；在其他实施例中，聚酰亚胺导电胶的重量份数为2.4～2.6份。
石墨烯用于提高石墨烯电池的比能量和电池循环寿命。在本发明中，石墨烯的重量份数为1～2份；在本发明的实施例中，石墨烯的重量份数为1.2～1.8份；在其他实施例中，石墨烯的重量份数为1.4～1.6份。
炭黑、钛、铂、钨、钼、锂用于降低石墨烯与基材接触电阻，提高电池的循环寿命。在本发明中，炭黑的重量份数为1～2份；在本发明的实施例中，炭黑的重量份数为1.2～1.8份；在其他实施例中，炭黑的重量份数为1.4～1.6份。
在本发明中，钛的重量份数为0.1～0.2份；在本发明的实施例中，钛的重量份数为0.12～0.17份；在其他实施例中，钛的重量份数为0.14～0.16份。
在本发明中，铂的重量份数为0.1～0.2份；在本发明的实施例中，铂的重量份数为0.11～0.18份；在其他实施例中，铂的重量份数为0.13～0.15份。
在本发明中，钨的重量份数为0.05～0.08份；在本发明的实施例中，钨的重量份数为0.055～0.075份；在其他实施例中，钨的重量份数为0.06～0.07份。
在本发明中，钼的重量份数为0.02～0.03份；在本发明的实施例中，钼的重量份数为0.023～0.027份；在其他实施例中，钼的重量份数为0.024～0.026份。
在本发明中，锂的重量份数为0.1～0.2份；在本发明的实施例中，锂的重量份数为0.12～0.17份；在其他实施例中，锂的重量份数为0.13～0.15份。
在本发明的实施例中，基材为碳棒、石墨棒或钨棒。
本发明还提供了上述一种用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在真空手套箱内的真空环境下，将炭黑、钛、铂、钨、钼、锂加入到聚酰亚胺导电胶中搅拌均匀后，涂抹在基材表面，干燥后得到初阴极基材；
b)将石墨氧化成氧化石墨，并将氧化石墨中分散在去离子中，加入还原剂，得到预还原石墨烯溶液；
c)将步骤b)得到的预还原石墨烯溶液涂覆到初阴极基材表面，并进行激光照射，干燥，即得用于石墨烯电池的阴极材料。
上述技术方案中，通过在基材表面先涂覆炭黑、钛、铂、钨、钼、锂和聚酰亚胺导电胶的混合物，再在初阴极基材表面涂覆预还原石墨烯溶液，进而使得得到阴极材料结构稳定性好，石墨烯与基材之间的接触电阻低，导电率高，比容量大，在多次充电/放电循环后保持高的阴极比容量，从而提高石墨烯电池的循环寿命。另外，本发明提供的用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法工艺简单，原料成本低廉，适合工业化生产。
在本发明的实施例中，还原剂为维生素c或水合肼。
在本发明的实施例中，还原剂与石墨的质量比为1:2～3。
在本发明的实施例中，石墨氧化成氧化石墨溶液的制备方法为hummers法。
在本发明的实施例中，hummers法为，称取5g粒径为300目鳞片石墨和2gnano3进行缓和，加入120ml浓硫酸置于冰水浴中加以搅拌，30min后加入20gkmno4，待反应60min后，移入40℃温水浴中继续反应30min，然后缓慢加入230ml去离子水，并保持反应温度为98℃，搅拌5min后加入适量双氧水至不产生气泡，趁热过滤，并用去离子水和5％的盐酸进行多次洗涤至中性，离心后在60℃真空干燥箱中充分干燥即得氧化石墨。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种用于石墨烯电池的阴极材料及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
称取5g粒径为300目鳞片石墨和2gnano3进行缓和，加入120ml浓硫酸置于冰水浴中加以搅拌，30min后加入20gkmno4，待反应60min后，移入40℃温水浴中继续反应30min，然后缓慢加入230ml去离子水，并保持反应温度为98℃，搅拌5min后加入适量双氧水至不产生气泡，趁热过滤，并用去离子水和5％的盐酸进行多次洗涤至中性，离心后在60℃真空干燥箱中充分干燥即得氧化石墨。
实施例2
用于石墨烯电池的阴极材料，包括以下重量份数的原料：
85g碳棒、2.2g聚酰亚胺导电胶、1g炭黑、0.12g钛、0.11g铂、0.07g钨、0.026g钼、0.13g锂；
用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在真空手套箱内的真空环境下，将炭黑、钛、铂、钨、钼、锂加入到聚酰亚胺导电胶中搅拌均匀后，涂抹在碳棒表面，干燥后得到初阴极基材；
b)取1.5g实施例1制得的氧化石墨中分散在去离子中，加入还原剂，得到预还原石墨烯溶液；
c)将步骤b)得到的预还原石墨烯溶液涂覆到初阴极基材表面，并进行激光照射，干燥，即得用于石墨烯电池的阴极材料。
实施例3
用于石墨烯电池的阴极材料，包括以下重量份数的原料：
95g钨棒、2.6g聚酰亚胺导电胶、1.8g炭黑、0.17g钛、0.18g铂、0.055g钨、0.03g钼、0.12g锂；
用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在真空手套箱内的真空环境下，将炭黑、钛、铂、钨、钼、锂加入到聚酰亚胺导电胶中搅拌均匀后，涂抹在钨棒表面，干燥后得到初阴极基材；
b)取2g实施例1制得的氧化石墨中分散在去离子中，加入还原剂，得到预还原石墨烯溶液；
c)将步骤b)得到的预还原石墨烯溶液涂覆到初阴极基材表面，并进行激光照射，干燥，即得用于石墨烯电池的阴极材料。
实施例4
用于石墨烯电池的阴极材料，包括以下重量份数的原料：
88g碳棒、2g聚酰亚胺导电胶、1.2g炭黑、0.2g钛、0.13g铂、0.08g钨、0.027g钼、0.17g锂；
用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在真空手套箱内的真空环境下，将炭黑、钛、铂、钨、钼、锂加入到聚酰亚胺导电胶中搅拌均匀后，涂抹在碳棒表面，干燥后得到初阴极基材；
b)取2g实施例1制得的氧化石墨中分散在去离子中，加入还原剂，得到预还原石墨烯溶液；
c)将步骤b)得到的预还原石墨烯溶液涂覆到初阴极基材表面，并进行激光照射，干燥，即得用于石墨烯电池的阴极材料。
实施例5
用于石墨烯电池的阴极材料，包括以下重量份数的原料：
80g石墨棒、3g聚酰亚胺导电胶、1.6g炭黑、0.1g钛、0.2g铂、0.06g钨、0.023g钼、0.1g锂；
用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在真空手套箱内的真空环境下，将炭黑、钛、铂、钨、钼、锂加入到聚酰亚胺导电胶中搅拌均匀后，涂抹在石墨棒表面，干燥后得到初阴极基材；
b)取1.8g实施例1制得的氧化石墨中分散在去离子中，加入还原剂，得到预还原石墨烯溶液；
c)将步骤b)得到的预还原石墨烯溶液涂覆到初阴极基材表面，并进行激光照射，干燥，即得用于石墨烯电池的阴极材料。
实施例6
用于石墨烯电池的阴极材料，包括以下重量份数的原料：
92g钨棒、2.8g聚酰亚胺导电胶、1.4g炭黑、0.16g钛、0.15g铂、0.075g钨、0.024g钼、0.2g锂；
用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在真空手套箱内的真空环境下，将炭黑、钛、铂、钨、钼、锂加入到聚酰亚胺导电胶中搅拌均匀后，涂抹在钨棒表面，干燥后得到初阴极基材；
b)取1.5g实施例1制得的氧化石墨中分散在去离子中，加入还原剂，得到预还原石墨烯溶液；
c)将步骤b)得到的预还原石墨烯溶液涂覆到初阴极基材表面，并进行激光照射，干燥，即得用于石墨烯电池的阴极材料。
实施例7
用于石墨烯电池的阴极材料，包括以下重量份数的原料：
100g碳棒、2.4g聚酰亚胺导电胶、2g炭黑、0.14g钛、0.1g铂、0.05g钨、0.02g钼、0.15g锂；
用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在真空手套箱内的真空环境下，将炭黑、钛、铂、钨、钼、锂加入到聚酰亚胺导电胶中搅拌均匀后，涂抹在碳棒表面，干燥后得到初阴极基材；
b)取1.8g实施例1制得的氧化石墨中分散在去离子中，加入还原剂，得到预还原石墨烯溶液；
c)将步骤b)得到的预还原石墨烯溶液涂覆到初阴极基材表面，并进行激光照射，干燥，即得用于石墨烯电池的阴极材料。
实施例8
用于石墨烯电池的阴极材料，包括以下重量份数的原料：
90g石墨棒、2.5g聚酰亚胺导电胶、1.5g炭黑、0.15g钛、0.14g铂、0.065g钨、0.025g钼、0.14g锂；
用于石墨烯电池的阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)在真空手套箱内的真空环境下，将炭黑、钛、铂、钨、钼、锂加入到聚酰亚胺导电胶中搅拌均匀后，涂抹在石墨棒表面，干燥后得到初阴极基材；
b)取1.5g实施例1制得的氧化石墨中分散在去离子中，加入还原剂，得到预还原石墨烯溶液；
c)将步骤b)得到的预还原石墨烯溶液涂覆到初阴极基材表面，并进行激光照射，干燥，即得用于石墨烯电池的阴极材料。
将实施例2～8制得的石墨烯电池的阴极材料进行导电率测试，并放入石墨烯电池中进行测试，记录1c首次放电容量和500次循环后放电容量，结果见表1。
上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。