一种在石墨烯矩阵上原位生长氧化铜纳米颗粒的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池负极材料的制备领域，尤其涉及一种在石墨烯矩阵上原位生长氧化铜纳米颗粒的方法。
【背景技术】
[0002]可充电固态电池一直以来被认为是各种现代电子设备的优良电源设备，如手机、笔记本电脑、电动汽车等，锂离子电池由于能量密度高、重量轻，因此是最合适的电源设备之一。电极材料是电池性能表现的一个关键因素，现有技术中作为锂离子电池的负极材料，石墨表现极佳，但是其存在理论容量低的不足，因此很难满足高容量电池的需求。目前，为了克服上述缺陷，经常采用在石墨表面镀金属氧化物的方法来提高理论容量，如氧化锡、氧化铁、四氧化三钴、氧化镍、四氧化三锰和氧化铜。其中，氧化铜由于其较高的理论容量、安全性高、成本低以及环境友好，长期以来一直作为锂离子电池的负极材料，具有广阔的应用前景。
[0003]然而在实际应用中，电极体积的变化易引起电极材料破碎的问题，导致电极材料失去电极接触，从而造成很大的不可逆容量损失，且破环循环的稳定性。
【发明内容】
[0004]本发明解决的技术问题:为了解决电极体积变化易引起电极材料破碎的问题，增强电池负极的稳定性，保证电池容量以及维持电池良好的循环能力，本发明提供了一种在石墨烯矩阵上原位生长氧化铜纳米颗粒的方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种在石墨烯矩阵上原位生长氧化铜纳米颗粒的方法，包含以下步骤:
(1)将干燥后的氧化石墨在290~305°c的空气中加热3~5分钟，随后在850~950°C的氩气中处理3~4小时，制得石墨稀纳米片；
(2)将三水合硝酸铜溶于乙醇溶液中，搅拌至完全溶解，配制质量浓度为4~10%的硝酸铜乙醇溶液；
(3)将石墨烯纳米片加入硝酸铜乙醇溶液中，石墨烯纳米片与硝酸铜乙醇溶液按质量比0.5-2:100混合，磁力搅拌10~20分钟，混合均匀；
(4)将步骤(3)制得的混合溶液置于23~28°C环境中，搅拌5~10小时，使得乙醇自然挥发；
(5)经步骤(4)处理后的溶液置于烘箱中，在195~205°C条件下处理9~11小时，即可在石墨烯矩阵上原位生长氧化铜纳米颗粒。
[0006]作为本发明的一种优选技术方案，步骤(I)中将干燥后的氧化石墨在300 °C的空气中加热3分钟，随后在900°C的氩气中处理3小时，制得石墨烯纳米片。
[0007]作为本发明的一种优选技术方案，步骤(2)中将三水合硝酸铜溶于乙醇溶液中，搅拌至完全溶解，配制质量浓度为7%的硝酸铜乙醇溶液。
[0008]作为本发明的一种优选技术方案，步骤(3)中将石墨烯纳米片加入硝酸铜乙醇溶液中，石墨烯纳米片与硝酸铜乙醇溶液按质量比2:100混合，磁力搅拌16分钟，混合均匀。
[0009]作为本发明的一种优选技术方案，步骤(4)中将步骤(3)制得的混合溶液置于25 °C环境中，搅拌8小时，使得乙醇自然挥发。
[0010]作为本发明的一种优选技术方案，步骤(5)中经步骤(4)处理后的溶液置于烘箱中，在200°C条件下处理10小时，即可在石墨烯矩阵上原位生长氧化铜纳米颗粒。
[0011 ] 石墨烯是一种优良的基底材料，具有良好的负载锂离子的活性，且其表面积大、导电性优良、机械强度和化学稳定性高。此外，石墨烯纳米片的层状结构使得其具有更高的储锂容量。经过上述方法制得的氧化铜纳米颗粒大小为50~100纳米，并且可以均匀的锚对石墨稀矩阵。
[0012]高孔隙度的氧化铜纳米颗粒与锂离子有着良好的接触，并且为锂化/脱嵌锂过程中产生的体积变化作一个弹性缓冲。石墨烯具有增强氧化铜纳米颗粒的电导率的作用，且能够保证负极长期的稳定性。此外，依据上述方法制得的氧化铜/石墨稀纳米复合材料显示了锂离子电池的优越性能，增强锂离子电池的可逆容量以及维持电池良好的循环能力。
[0013]有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点:
(O本发明所述方法制得的氧化铜/石墨烯纳米复合材料能够为锂化/脱嵌锂过程中产生的体积变化作一个弹性缓冲，因此保证电极材料不破碎，从而增强电池负极的稳定性；
(2)本发明所述方法制得的氧化铜/石墨烯纳米复合材料能够增强锂离子电池的可逆容量以及维持电池良好的循环能力；
(3)本发明所述方法制得的氧化铜/石墨烯纳米复合材料能够最大程度的提高高度绝缘性电极材料的电化学性能；
(4)本发明所述方法制得的氧化铜/石墨稀纳米复合材料倍率性能高；
(5)本发明所述方法操作简便，且可以节约材料。
【附图说明】
[0014]图1是氧化铜/石墨烯纳米复合材料结构示意图；
图2是氧化铜/石墨烯纳米复合材料显微图；其中图(a)、(b)分别为扫描电镜下的氧化铜/石墨烯纳米复合材料放大3000倍的不同角度的图像，图(c)、(d)分别为透射电镜下的氧化铜/石墨烯纳米复合材料放大3000倍的不同角度的图像，图(e)是放大倍数为3000倍时的扫描电镜下的石墨烯纳米片图像，图(f)是放大倍数为3000倍时的透射电镜下的石墨稀纳米片图像。
[0015]图3是氧化铜/石墨烯纳米复合材料电化学性能测试图；其中图(a)为100毫安/克的电流密度中第一、第二周期氧化铜/石墨烯纳米复合材料充电和放电曲线；图(13)为在不同电流密度下氧化铜/石墨稀纳米复合材料代表性电荷的放电曲线；图(0)为不同电流密度下氧化铜/石墨稀纳米复合材料的容量保持；图((1)为氧化铜/石墨稀纳米复合材料与单纯的氧化铜在100毫安/克的电流密度中的容量保持。
【具体实施方式】
[0016]实施例1
一种在石墨烯矩阵上原位生长氧化铜纳米颗粒的方法，包含以下步骤:
(1)将干燥后的氧化石墨在300°C的空气中加热3分钟，随后在900°C的氩气中处理3小时，制得石墨稀纳米片；
(2)将三水合硝酸铜溶于乙醇溶液中，搅拌至完全溶解，配制质量浓度为7%的硝酸铜乙醇溶液；
(3)将石墨烯纳米片加入硝酸铜乙醇溶液中，石墨烯纳米片与硝酸铜乙醇溶液按质量比2:100混合，磁力搅拌16分钟，混合均勾；
(4)将步骤(3)制得的混合溶液置于25°C环境中，搅拌8小时，使得乙醇自然挥发；
(5)经步骤(4)处理后的溶液置于烘箱中，在200°C条件下处理10小时，即可在石墨烯矩阵上原位生长氧化铜纳米颗粒。
[0017]经步骤(I)制得的石墨烯纳米片分别通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察可知，石墨烯纳米片具有层状结构，具体如图2中的(e)和(f)所示，该结构有助于提高基底材料的表面积，为氧化铜纳米颗粒提供更多的负载位点，从而增强导电性。此外分别通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察上述方法制得的氧化铜/石墨烯纳米复合材料可知，氧化铜纳米