一种锂离子电池氮掺杂碳包覆石墨烯材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电化学材料领域，具体涉及一种锂离子电池氮掺杂碳包覆石墨烯材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]锂离子电池已经广泛应用于便携设备中，如手机、平板电脑、手提电脑、相机等等。它们对锂离子电池提出了新的要求:高倍率、高容量、安全稳定、更长的使用寿命、技术成熟、价格便宜、环境友好等等。面对着这些新的要求，锂离子电池将面临着各种各样的重大挑战，以能够快速适应这个新生代的市场。
[0003]石墨烯是一种新型碳纳米材料，成为现今的研究热点。石墨烯是由单层sP2碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，基本结构单元是稳定的苯六元环。这种特殊的微观结构，使得石墨烯具有较大的理论比表面积，致使其具有较高的储锂能力。但是，单一的石墨烯材料用作电极材料，受到诸多因素的限制，如石墨烯比表面过大，片层之间容易团聚，大大提高了不可逆容量损失(较低的首次库仑效率(〈73%))并降低了其作为电极材料电导率，从而给电极制片工艺方面带来不良影响。特别是，单一的石墨烯电材料在大倍率充放电时，容量衰减太快。
[0004]碳包覆核壳纳米结构已经广泛用于LIBs的电极材料中，这些核壳结构可以用糖类作为碳源，通过水热法一步即可获得。核/壳材料的优异性能与它们独一无二的结构相关，核颗粒的性能随着包覆在核颗粒周围的壳的变化显著改善，这是利用核/壳材料的协同效应以及两者相互作用会产生多重功效的特性，克服各自绝大多数的缺陷并发挥两者的优势。所以，采用本发明所用的水热掺杂氮方法制备氮掺杂碳包覆石墨烯材料锂离子电池负极材料具有优秀的电化学性能。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对石墨烯负极材料的倍率性差，提供一种高容量、高倍率的氮掺杂碳包覆石墨烯材料的制备方法，该方法简单、可操作性强、重复性好。
[0006]为实现本发明的以上目的，本发明提供了以下技术方案:
一种锂离子电池氮掺杂碳包覆石墨烯材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
a、制备氧化石墨稀悬浮液:采用hu_er法制备氧化石墨，将氧化石墨在去离子水中超声剥开形成氧化石墨烯悬浮液；
b、制备氮掺杂碳包覆石墨稀材料:向氧化石墨稀悬浮液中加入一定量的氨基氰水溶液，搅拌均匀，放入密闭反应釜中进行水热反应，将水热反应产物用去离子水洗涤，干燥，在保护气氛下高温处理，得到锂离子电池氮掺杂碳包覆石墨烯材料。
[0007]步骤a所述的超声装置的功率为200W?500W，超声时间为0.5?2.0h。
[0008]步骤a所述的氧化石墨稀悬浮液中氧化石墨稀的浓度0.1?2.0mg/mL。
[0009]步骤b所述的氨基氰水溶液浓度为20wt%~50wt%。[00?0]步骤b所述的氨基氰与氧化石墨稀的质量比为I?5:80。
[0011]步骤b所述的溶剂热处理温度为160?200°C，时间为4?10小时。
[0012]步骤b所述的高温处理温度为600?100°C，时间为I?6小时。
[0013 ]步骤b所述的保护气氛为氮气、氩气、氦气、氖气、氪气和氙气的任一种。
[0014]—种锂电池，其特征在于:采用了权利要去1-8任一项制备的锂离子电池氮掺杂碳包覆石墨稀材料。
[0015]本发明具有如下优点及有益效果:
(I)本发明制备的比容量高、倍率好的氮掺杂碳包覆石墨烯材料应用于锂离子电池负极材料未见文献报道，具有很好的应用发展前景。
[0016](2)本发明水热一步同时实现了氮掺杂碳制备出的锂离子电池负极材料氮掺杂碳包覆石墨稀材料。此种结构材料可以提尚氣惨杂碳包覆石墨稀材料的比表面积，有利于提高氮掺杂碳包覆石墨烯材料的储锂比容量，有助于电解液的渗透，防止了石墨烯还原过程中的团聚，重叠，从而提高氮掺杂碳包覆石墨烯材料负极材料的电子电导率，为寻求新型锂离子电池负极材料提供研究思路。
[0017](3)锂离子氮掺杂碳包覆石墨稀材料负极材料的制备过程中:采用hummer法制备氧化石墨，然后将氧化石墨超声分散在去离子水中形成亲水性的氧化石墨烯悬浮液，氧化石墨烯表面含有大量的羧基，羟基，羰基等含氧基团。然后加入氨基氰，搅拌均匀，放入到密闭反应釜中进行水热反应，在反应釜的高温高压环境下，氨基氰会发生聚合包覆在氧化石墨稀表面，同时，氨基氰也会与石墨稀表面的基团反应聚合。特别地，氧化石墨稀在整个水热反应过程中，因为水热釜的高温高压环境，表面的含氧基团与氨基氰的反应与分子间范德华力等的作用下发生卷曲，褶皱，形成三维立体结构。然后将水热得到的前驱体在保护气氛下高温碳化处理得到氮掺杂碳包覆石墨烯材料。
【附图说明】
[0018]图1是氧化石墨烯的投射电镜图(TEM)。
[0019]图2是实施例1氮掺杂碳包覆石墨稀材料的投射电镜图(TEM)与元素mapping。
[0020]图3是实施例1氮掺杂碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V、200mA/g电流密度下的充放电曲线。
[0021]图4是实施例1氮掺杂碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V、200mA/g电流密度下的循环曲线。
[0022]图5是实施例1氮掺杂碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V电压下的倍率循环曲线。
[0023]图6是实施例2氮掺杂碳包覆石墨烯材料的XRD图谱。
[0024]图7是实施例2氮掺杂碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V、200mA/g电流密度下的循环曲线。
[0025]图8是实施例3氮掺杂碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V电压下的倍率循环曲线。
【具体实施方式】
[0026]为了更详细地说明本发明，给出下述制备实例。但本发明的范围并不局限于此。
[0027]实施例1，氮掺杂碳包覆石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤: 采用hummer法制备氧化石墨，将80mg氧化石墨在70mL去离子水中用250W的超声仪超声I小时形成氧化石墨稀悬浮液，然后加入1011^氨基氰水溶液(5()?^%)，搅拌均勾，放入到10mL反应釜中，180°(:水热反应6小时，将水热反应产物用去离子水洗涤，干燥，在氮气气氛下700°C高温处理2小时，得到氮掺杂碳包覆石墨烯材料。
[0028]实施例1制备的锂离子氮掺杂碳包覆石墨烯材料的电化学性能测试:
将实施例1制备的锂离子氮掺杂碳包覆石墨烯材料与导电碳黑、粘结剂聚偏氯乙烯(PVDF)按质量比8:1:1混合，再加入适量N-甲基吡咯烷酮(NMP)搅拌均匀，涂布到铜箔上，在真空烘箱中于90°C下烘干，在冲片机上剪片得氮掺杂碳包覆石墨烯材料电极片。将所得电极做正极，金属锂片为负极，电解液为含有IM LiPF6/(EC+DMC)(体积比为1:1)混合体系，隔膜为微孔聚丙烯膜(Celgard 2400)，在充满氩气(Ar)的手套箱内组装成2025型扣式电池。
[0029]测试仪器及方法如下:
TEM分析所用的仪器为日本电子公司的JSM-2010型投射电子显微镜(TEM)观察试样表面的微观形貌，加