一种石墨烯的制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于石墨稀技术领域，特别涉及一种石墨稀的制备方法。
【背景技术】
[0002] 2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈· K ·海姆（Andre K. Geim)等采用机械剥离 法首次制备得到石墨烯（Graphene)，由此拉开了该材料制备、运用研宄的序幕。所谓石墨 烯，是指碳原子之间呈六角环形排列的一种片状体，通常由单层或多层石墨片层构成，可在 二维空间无限延伸，可以说是严格意义上的二维结构材料。其具有比表面积大、导电导热 性能优良、热膨胀系数低等突出优点：具体而言，高的比表面积（理论计算值：2630m 2/g); 高导电性、载流子传输率（200000cm2/V· s);高热导率（5000W/mK);高强度，高杨氏模量 (IlOOGPa)，断裂强度（125GPa)。因此其在储能领域、热传导领域以及高强材料领域具有极 大的运用前景。
[0003] 现有的制备石墨烯的方法主要有微机械剥离法、超高真空石墨烯外延生长法、氧 化-还原法、化学气相沉积法（CVD)、溶剂剥离法、电解法和溶剂热法。在这一系列方法中， 氧化-还原法和电解法是实现石墨烯大批量制备的优选方案。
[0004] 然而，采用氧化法制备氧化石墨时，所使用的氧化剂往往是浓硫酸、高锰酸钾等氧 化剂；且为了更加充分的将石墨氧化，往往需要进行高温反应。因此制备过程中存在极大的 安全隐患，且会发生氧化剂失效问题，导致整个氧化反应失败；同时，制备过程中会产生大 量的废液，造成环境污染和制造成本的增加。
[0005] 相比较而言，电化学方法制备石墨烯时，所使用的反应物通常是电解液，其在操作 过程中的安全隐患低，且对环境污染小。如孙峰等人发明的一种电化学剥离制备石墨烯的 方法（申请号CN201110269176. 3)，首先用含石墨材料的极片、含锂的对电极极片、含碳酸 丙烯酯（PC)的电解液和隔膜组装成电池，通过放电或者充电使溶剂化锂离子嵌入石墨层 间，最终石墨层层剥离形成石墨烯。相对于现有技术，本发明充分考虑到石墨与PC的不兼 容性以及充放电时锂离子能层层插入石墨中的特点，使得石墨得以层层被溶剂化锂离子插 入并最终被剥离生成石墨烯。这种电化学剥离制备石墨烯的方法无需使用复杂昂贵的设 备，操作简单，且仅需进行简单的充放电和后处理就可以得到石墨烯。但是将电极组装成电 芯的过程中，制造成本高，且剥离后生成的二维结构的石墨烯片层，很容易再重新堆叠在一 起，因此使得该方法制备石墨烯时难以得到片层数少的产品。
[0006] 有鉴于此，确有必要开发一种新的石墨烯制备方法，用于解决制备过程中安全隐 患及环境污染问题，同时又能实现大批量、低成本、工业化制备片层数量少的石墨烯。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种石墨烯制备方法：即将 含有碳材料工作层附着于工作集流体上得到工作电极；再将含有动力源物质的辅助层附着 于辅助集流体上得到辅助电极；之后工作电极与辅助电极直接组装得到预反应体，使得工 作层与辅助层之间直接接触（即可以电子导通）；最后再在工作层与辅助层之间注入电解 液，使得工作层与辅助层之间离子导通；在离子通路及电子通路同时导通的情况下，将自发 的进行石墨剥离反应制备得到石墨烯。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 一种石墨烯的制备方法，主要包括如下步骤：
[0010] 步骤1，工作电极的制备：将含有碳材料的工作层，附着于工作集流体上得到工作 电极，所述工作集流体选自铜箔、镍箔、泡沫镍、铝箔、聚合物导电膜、无锈钢箔中的一种；
[0011] 步骤2,辅助电极的制备：将含有动力源物质的辅助层，附着于辅助集流体上得到 辅助电极，所述辅助集流体选自铜箔、镍箔、泡沫镍、铝箔、聚合物导电膜、无锈钢箔中的一 种；
[0012] 步骤3,组装：将工作电极与辅助电极组装得到预反应体；
[0013] 步骤4,石墨烯反应体的制备：在工作电极与辅助电极之间布置含有石墨插层或/ 和剥离功能组分的电解液，使得工作层与辅助层之间离子导通，同时电子导通，进行石墨片 层剥离，制备得到石墨烯预反应体；
[0014] 步骤5,纯化：取出步骤4中反应后的工作层，去除其中的杂质，得到石墨烯浆料； 干燥后即得到石墨烯粉体材料。
[0015] 步骤1所述工作层或/和步骤4所述电解液中还含有表面活性剂；所述表面活 性剂的质量占所述工作层质量的0-20%，所述表面活性剂的质量占所述电解液质量的 0-20 % 〇
[0016] 作为本发明石墨烯制备方法的一种改进，步骤1所述碳材料包括膨胀石墨、人造 石墨和天然石墨中的至少一种。
[0017] 作为本发明石墨烯制备方法的一种改进，步骤2所述动力源物质为与步骤1所 述碳材料之间存在电势差的物质，包括富锂物质或/和作为电极材料的金属物质；所述 富锂物质包括 LiM102、LiMn2_xM2x04、LiNi xMShO2' Li3_xM4xN、LiFeP04、Li 2Fe04、Li7_xMnxN 4、 Li3-xFexN2、Li2S、Li 2S2和 LiNi xMnyCoz02中的至少一种，其中，Ml 为 Co、Ni、Mn、Cu、Cr 和 Fe 中 的至少一种，M2 为 Ni、Co、Cu、Cr、Fe 和 V 中的至少一种，M3 为 Co、Mn、Cu、Cr、Fe、V、La、Al、 Mg、Ga和Zn中的至少一种，M4为Co、Ni、Cu、Cr和V中的至少一种，x+y+z = 1 ;所述作为 电极材料的金属物质包括金属锂、金属钠、金属钾、金属镁、金属铝和金属锌中的至少一种。
[0018] 作为本发明石墨烯制备方法的一种改进，步骤4所述电解液还包括溶质和溶剂， 溶质或/和溶剂中包含石墨插层或/和剥离功能组分；所述溶质包括以权利要求3所述金 属的离子为阳离子的盐，如锂盐、钠盐、锌盐等；所述溶剂包括乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、丁 烯碳酸酯、1，2-二甲基乙烯碳酸酯、碳酸乙丁酯、碳酸甲丁酯、碳酸二丁酯、碳酸二乙酯、碳 酸二甲酯、三氟甲基碳酸乙烯酯、碳酸二正丙酯、碳酸二异丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙丙酯、 碳酸乙异丙酯、碳酸甲丙酯、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、缩 二乙二醇二甲醚、缩三乙二醇二甲醚、缩四乙二醇二甲醚、1，3-二氧戊烷、二甲基亚砜、环丁 砜、4-甲基-1，3-丁内酯、γ-丁内酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、 丙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、亚乙烯碳酸酯、丙烷磺内酯和乙烯亚硫酸酯中的至少一种； 所述石墨插层或/和剥离功能组分包括碱金属元素（如锂、钠等）、碱土金属元素（如镁、 妈等）、金属氯化物（如21^1 4,0(：13，(：〇(：13等）、氯化物（如1^6，1? 6等）、稀土元素（如 5111411，1'111，￥13等）、卤素元素（如？，(：1等）、赝卤素（如阶2，1(：1，正5等）、强酸（如!1 2504、 !^03等）和碳酸丙烯酯中的至少一种。
[0019] 作为本发明石墨烯制备方法的一种改进，