石墨烯-锡复合材料、其制备方法、锂离子电池及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种石墨烯-锡复合材料的制备方法和应用。该石墨烯-锡复合材料的制备过程中利用水热原位还原复合，锡颗粒的尺寸较低，不仅能够使得锡和石墨烯混合均匀，而且能够大幅度提高石墨烯-锡的电导率，从而提高石墨烯-锡复合材料应用于锂离子电池负极材料的循环寿命以及倍率特性。上述石墨烯-锡复合材料的制备过程对设备、工艺要求低，且易操作，原料廉价成本低，容易实现大规模工业化生产。
【专利说明】石墨烯-锡复合材料、其制备方法、锂离子电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种石墨烯-锡复合材料、其制备方法、锂离子电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着各种电子产品的发展及功能的不断完善，传统锂离子电池的性能已越来越不能满足各种耗电产品的需求。负极材料对于锂离子电池性能的提高具有重要作用。传统锂离子电池的负极材料主要用石墨，而石墨的理论容量最高仅为372mAh/g，大大限制了锂离子电池的性能，无法满足人们对高容量电池的需求。锡基合金材料以高比能量(994mAh/g)、高倍率、高安全性等特点，引起了人们的广泛关注。虽然锡作为负极材料具有高容量的优势，但它在嵌锂和脱锂的过程中体积变化较大，导致电极材料粉末化，活性物质内部丧失电接触，电极容量迅速衰减，从而缩短锂离子电池的寿命。为了提高锡材料的循环稳定性，主要方法为:(I)纳米合金，利用纳米材料的超塑性释放锂化过程产生的应力，从而减少粉化，提高锂化反应的可逆性；(2)金属间化合物，包括活性金属与活性或非活性金属复合，利用不同活性金属之间的锂化电位不同而互为基体，或非活性金属作为基体来缓冲体积膨胀；(3)合金-碳复合材料，利用碳材料的高弹性缓冲合金锂化时的体积膨胀，提高合金颗粒的电接触，为锂离子和电子提供扩散通道。
[0003]石墨烯是一种二维单分子层材料，具有优异的柔性，锡材料与石墨烯进行复合能够有效降低锡材料在膨胀和收缩过程中对电极材料的破坏，从而提高器件的循环性能。传统报道的石墨烯-锡复合材料往往是由锡颗粒直接与石墨烯进行高能混合，锡颗粒粒径较大，而且难以混合均匀，导致石墨烯不能充分发挥其作用。
【发明内容】
[0004]基于此，有必要提供一种能使石墨烯与锡均匀混合的石墨烯-锡复合材料及其制备方法。
[0005]一种石墨烯-锡复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0006]将氧化石墨分散在去离子水中，按照氧化石墨与四氯化锡质量比为10:2?4的比例向所述去离子水中加入四氯化锡，超声分散，得到混合溶液；
[0007]向所述混合溶液中加入还原剂，在8(T10(TC下进行还原反应，得到石墨烯-锡悬浮液；及
[0008]过滤所述石墨烯-锡悬浮液，对滤渣进行洗涤、干燥后得到所述石墨烯-锡复合材料。
[0009]在其中一个实施例中，所述氧化石墨按照下述步骤制备:
[0010]将石墨加入至98%浓硫酸与65%浓硝酸组成的混合溶液中，并在冰水混合浴的环境下搅拌至形成均匀的混合物；及[0011]向所述混合物中加入高锰酸钾，搅拌并升温至85°C后保持温度30分钟，保持温度加入去离子水后静置30分钟，再加入体积浓度为30%的过氧化氢溶液，搅拌10分钟后，对反应体系进行抽滤处理，得到的滤渣依次使用稀盐酸及去离子水洗涤多次，烘干后得到氧
化石墨。
[0012]在其中一个实施例中，所述石墨原料的质量、所述98%浓硫酸的体积、所述65%浓硫酸的体积、所述高锰酸钾的质量及所述过氧化氢的体积比例为Ig:85~95mL:24~25mL:4~6g:6~10mL。
[0013]在其中一个实施例中，所述氧化石墨在所述氧化石墨四氯化锡混合溶液中的浓度为 0.5~lmg/mL0
[0014]在其中一个实施例中，所述还原剂为硼氢化钠或水合阱。
[0015]一种石墨烯-锡复合材料，其是按照上述石墨烯-锡复合材料的制备方法制备得到的。
[0016]此外，还有必要提供使用上述石墨烯-锡复合材料的锂离子电池及其制备方法。
[0017]一种锂离子电池，包括正极，所述正极包括集流体及涂覆在所述集流体上的正极材料，所述正极材料包括导电剂、粘结剂及正极活性材料，其中，正极活性材料为上述石墨烯-锡复合材料。
[0018]一种锂离子电池的制 备方法，包括如下步骤:
[0019]按照质量比为80-85:5~10:5~10的比例，将上述石墨烯-锡复合材料与粘结剂及导电剂混合均匀，得到正极材料；
[0020]将所述正极材料涂覆在铜箔上，经干燥、切片处理后得到正极片；
[0021]以锂片作为负极片，将所述锂片、隔膜、所述正极片组装成电芯；
[0022]将所述电芯封装在电池壳体内，并向所述电池壳体内注入电解液，密封后得到锂离子电池。
[0023]在其中一个实施例中，所述粘结剂为聚偏氟乙烯；所述导电剂为乙炔黑。
[0024]在其中一个实施例中，所述电解液中的电解质为LiPF6、LiBF4, LiN(SO2CF3)2或LiN(SO2F)2，所述电解液中的溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或乙腈，所述电解质在所述电解液中的浓度为lmol/L。
[0025]上述方法利用水热原位还原复合，锡颗粒的尺寸较低，因此不仅能够使得锡和石墨稀混合均勾，而且能够大幅度提闻石墨稀_锡的电导率，从而提闻石墨稀_锡复合材料应用于锂离子电池负极材料的循环寿命以及倍率特性。上述石墨烯-锡复合材料的制备过程对设备、工艺要求低，且易操作，原料廉价成本低，容易实现大规模工业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为一实施方式的石墨烯-锡复合材料的制备流程图；
[0027]图2为一实施方式的锂离子电池的制备流程图。
【具体实施方式】
[0028]下面主要结合附图及具体实施例对石墨烯-锡复合材料及其制备方法和应用作进一步详细的说明。[0029]如图1所示，本实施方式的石墨烯-锡复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0030]步骤S110，将氧化石墨分散在去离子水中，按照氧化石墨与四氯化锡质量比为10:2~4的比例向所述去离子水中加入四氯化锡，超声分散，得到混合溶液。
[0031]其中，氧化石墨可以采用如下方法制备: [0032]将石墨加入至98%浓硫酸与65%浓硝酸组成的混合溶液中，并在冰水混合浴的环境下搅拌至形成均匀的混合物，其中，石墨优选纯度不低于99.5%的天然鳞片石墨；向混合物中加入高锰酸钾，搅拌并升温至85°C后保持温度30分钟，保持温度加入去离子水后静置30分钟，再加入体积浓度为30%的过氧化氢溶液，搅拌10分钟后，对反应体系进行抽滤处理，得到的滤渣依次使用稀盐酸及去离子水洗涤多次，烘干后得到氧化石墨。
[0033]在本实施方式中，石墨原料的质量、98%浓硫酸的体积、65%浓硫酸的体积、高锰酸钾的质量及过氧化氢的体积优选按照如下比例Ig: 85、5mL: 24^25mL: 4^6g: 6~10mL添加。
[0034]氧化石墨在混合溶液中的浓度为0.5~lmg/mL。四氯化锡在混合溶液中的浓度为
0.1-0.3mg/mL。
[0035]超声功率可以为50(T800W，超声时间为2~3小时。对混合溶液超声分散处理后，氧化石墨被剥离成氧化石墨烯，且超声分散可以使氧化石墨与四氯化锡混合均匀。
[0036]步骤S120，向混合溶液中加入还原剂，在8(TlO(TC下进行还原反应，得到石墨烯-锡悬浮液。
[0037]还原剂可以为水合阱或硼氢化钠。
[0038]步骤S130，过滤石墨烯-锡悬浮液，对滤渣进行洗涤、干燥后得到石墨烯-锡复合材料，其中，中间横线表示石墨烯与锡的复合。
[0039]本实施方式制得的石墨烯-锡复合材料中，锡金属颗粒嵌入石墨烯片层结构中或者分布在石墨烯的片层之间，从而，石墨烯片穿插在锡金属颗粒之间，一方面抑制体积膨胀，防止金属分化后的二次团聚，另一方面增加活性物质与电解液的接触，提高导电性，即使在反复的充放电使用之后，仍然保持活性物质与集流体之间良好的接触，此外，不同于传统的对锡负极的改性方法，石墨烯片能够提供额外的容量，减小了使用惰性材料对锡负极改性时造成容量损失,充分发挥出两种材料的协同效应。
[0040]此外，本实施方式还提供了一种锂离子电池及其制备方法。该锂离子电池的正极包括集流体及涂覆在集流体上的正极材料，其中，正极材料包括导电剂、粘结剂及上述石墨烯-锡复合材料。石墨烯-锡复合材料作为锂离子电池的正极活性材料，能够有效抑制锡颗粒在充放电过程中的体积变化，整个锂离子电池的稳定性增强，且使用寿命增长。
[0041]如图2所示，该锂离子电池的制备方法包括如下步骤:
[0042]步骤S210，按照上述石墨烯-锡复合材料的制备方法制备石墨烯-锡复合材料。
[0043]步骤S220，按照质量比为80-85:5~10:5~10的比例，将石墨烯硅石墨烯复合材料、粘结剂及导电剂混合均匀，得到正极材料。
[0044]其中，粘结剂可以为聚偏氟乙烯。导电剂可以为乙炔黑或碳纳米管等。
[0045]步骤S230，将正极材料涂覆在铜箔上，经干燥、切片处理后得到正极片。
[0046]步骤S240，以锂片作为负极片，将锂片、隔膜、正极片组装成电芯。
[0047]步骤S250，将电芯封装在电池壳体内，并向电池壳体内注入电解液，密封后得到锂离子电池。[0048]电解液中的电解质可以为LiPF6、LiBF4、LiTFSI(LiN(SO2CF3)2)或LiFSI(LiN(SO2F)2)等；电解液中的溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或乙腈等。电解质在电解液中的浓度为lmol/L。
[0049]上述方法利用水热原位还原复合，锡颗粒的尺寸较低，因此不仅能够使得锡和石墨稀混合均勾，而且能够大幅度提闻石墨稀_锡的电导率，从而提闻石墨稀_锡复合材料应用于锂离子电池负极材料的循环寿命以及倍率特性。上述石墨烯-锡复合材料的制备过程对设备、工艺要求低，且易操作，原料廉价成本低，容易实现大规模工业化生产。
[0050]以下为具体实施例部分:
[0051]实施例1
[0052]本实施例的氧化石墨经剥离以及与四氯化锡混合，再经还原制备石墨烯-锡复合材料的工艺流程如下:
[0053]石墨一氧化石墨一石墨烯-锡复合材料
[0054]石墨:纯度99.5%的天然鳞片石墨。
[0055]氧化石墨:称取Ig石墨加入至由90mL质量分数为98%的浓硫酸和25mL质量分数为65%的浓硝酸组成的混合溶液中，得到混合物；将混合物置于冰水混合浴环境下进行搅拌20分钟，再缓慢地往混合物中加入6g高锰酸钾，搅拌I小时,接着将混合物加热至85° C并保持30分钟，加入92mL去离子水继续在85° C下保持30分钟，最后加入IOmL质量分数为30%的过氧化氢溶液，搅拌10分钟，对混合物进行抽滤，依次使用IOOmL稀盐酸和150mL去离子水对固体物质进行洗涤，共洗涤三次，最后固体物质在60° C真空烘箱中干燥12小时得到氧化石墨。
[0056]石墨烯-锡复合材料:取上述制备得到的氧化石墨分散在去离子水中，氧化石墨的浓度为0.5mg/mL，并加入四氯化锡，四氯化锡的浓度为0.lmg/mL，得到混合溶液，以500W功率对混合溶液超声2小时；再向混合溶液中加入硼氢化纳，硼氢化纳浓度为0.2mg/mL,搅拌并升温至80° C，反应24小时，过滤，用去离子水反复洗涤至中性，将固体产物置于60° C烘箱中干燥12小时，得到石墨烯-锡复合物。
[0057]实施例2
[0058]本实施例的氧化石墨经剥离以及与四氯化锡混合，再经还原制备石墨烯-锡复合材料的工艺流程如下:
[0059]石墨一氧化石墨一石墨烯-锡复合材料
[0060]石墨:纯度99.5%的天然鳞片石墨。
[0061]氧化石墨:称取2g石墨加入至由190mL质量分数为98%的浓硫酸和48mL质量分数为65%的浓硝酸组成的混合溶液中，得到混合物；将混合物置于冰水混合浴环境下进行搅拌20分钟，再缓慢地往混合物中加入8g高锰酸钾，搅拌I小时,接着将混合物加热至85° C并保持30分钟，加入180mL去离子水继续在85° C下保持30分钟，最后加入12mL质量分数为30%的过氧化氢溶液，搅拌10分钟，对混合物进行抽滤，依次使用200mL稀盐酸和300mL去离子水对固体物质进行洗涤,共洗涤三次,最后固体物质在60 ° C真空烘箱中干燥12小时得到氧化石墨。
[0062]石墨烯-锡复合材料:取上述制备得到的氧化石墨分散在去离子水中，氧化石墨的浓度为0.8mg/mL,并加入四氯化锡，四氯化锡的浓度为0.2mg/mL，得到混合溶液，以800W功率对混合溶液超声2小时；再向混合溶液中加入硼氢化纳，硼氢化纳浓度为0.4mg/mL,搅拌并升温至90° C，反应36小时，过滤，用去离子水反复洗涤至中性，将固体产物置于60° C烘箱中干燥12小时，得到石墨烯-锡复合物。
[0063]实施例3
[0064]本实施例的氧化石墨经剥离以及与四氯化锡混合，再经还原制备石墨烯-锡复合材料的工艺流程如下:
[0065]石墨一氧化石墨一石墨烯-锡复合材料
[0066]石墨:纯度99.5%的天然鳞片石墨。
[0067]氧化石墨:称取5g石墨加入至由420mL质量分数为98%的浓硫酸和120mL质量分数为65%的浓硝酸组成的混合溶液中，得到混合物；将混合物置于冰水混合浴环境下进行搅拌20分钟，再缓慢地往混合物中加入20g高锰酸钾，搅拌I小时,接着将混合物加热至85° C并保持30分钟，加入460mL去离子水继续在85° C下保持30分钟，最后加入40mL质量分数为30%的过氧化氢溶液，搅拌10分钟，对混合物进行抽滤，依次使用300mL稀盐酸和500mL去离子水对固体物质进行洗涤,共洗涤三次,最后固体物质在60 ° C真空烘箱中干燥12小时得到氧化石墨。
[0068]石墨烯-锡复合材料:取上述制备得到的氧化石墨分散在去离子水中，氧化石墨的浓度为0.5mg/mL,并加入四氯化锡，四氯化锡的浓度为0.2mg/mL，得到混合溶液，以500W功率对混合溶液超声3小时；再向混合溶液中加入硼氢化纳，硼氢化纳浓度为0.5mg/mL,搅拌并升温至100° C，反应24小时，过滤，用去离子水反复洗涤至中性，将固体产物置于60° C烘箱中干燥12小时，得到石墨烯-锡复合物。
[0069]实施例4
[0070]本实施例的氧化石墨经剥离以及与四氯化锡混合，再经还原制备石墨烯-锡复合材料的工艺流程如下:
[0071 ] 石墨一氧化石墨一石墨烯-锡复合材料
[0072]石墨:纯度99.5%的天然鳞片石墨。
[0073]氧化石墨:称取Ig石墨加入至由90mL质量分数为98%的浓硫酸和25mL质量分数为65%的浓硝酸组成的混合溶液中，得到混合物；将混合物置于冰水混合浴环境下进行搅拌20分钟，再缓慢地往混合物中加入4g高锰酸钾，搅拌I小时,接着将混合物加热至85° C并保持30分钟，加入95mL去离子水继续在85° C下保持30分钟，最后加入9mL质量分数为30%的过氧化氢溶液，搅拌10分钟，对混合物进行抽滤，依次使用IOOmL稀盐酸和150mL去离子水对固体物质进行洗涤，共洗涤三次，最后固体物质在60° C真空烘箱中干燥12小时得到氧化石墨。
[0074]石墨烯-锡复合材料:取上述制备得到的氧化石墨分散在去离子水中，氧化石墨的浓度为lmg/mL，并加入四氯化锡，四氯化锡的浓度为0.2mg/mL，得到混合溶液，以500W功率对混合溶液超声2小时；再向混合溶液中加入硼氢化纳，硼氢化纳浓度为0.5mg/mL，搅拌并升温至100° C，反应24小时，过滤，用去离子水反复洗涤至中性，将固体产物置于60° C烘箱中干燥12小时，得到石墨烯-锡复合物。
[0075]实施例5
[0076]1.按照85:5:10的质量比，分别称取8.5g的实施例1中制备的石墨烯-锡复合材料，0.5g的聚偏氟乙烯以及1.0g的乙炔黑，混合均匀后得到正极材料；
[0077]2.将正极材料涂覆在铜箔上，经干燥、切片处理，得到正极片。
[0078]3.以锂片作为负极片，将锂片、隔膜以及上步中制得的正极片按照顺序叠片组装成电芯。
[0079]4.将制得的电芯封装在电池壳体内，再通过电池壳体上的注液口往电池壳体里注入电解质浓度为lmol/L的LiPF6/碳酸二甲酯电解液(表示电解质是LiPF6、溶剂是碳酸二甲酯的电解液)，密封注液口，得到锂离子电池。
[0080]实施例6
[0081]1.按照80:10:10的质量比，分别称取8.0g的实施例1中制备的石墨烯-锡复合材料，1.0g的聚偏氟乙烯以及1.0g的乙炔黑，混合均匀后得到正极材料；
[0082]2.将正极材料涂覆在铜箔上，经干燥、切片处理，得到正极片。
[0083]3.以锂片作为负极片，将锂片、隔膜以及上步中制得的正极片按照顺序叠片组装成电芯。
[0084]4.将制得的电芯封装在电池壳体内，再通过电池壳体上的注液口往电池壳体里注入电解质浓度为lmol/L的LiBF4/碳酸二乙酯电解液(表示电解质是LiBF4、溶剂是碳酸二乙酯的电解液)，密封注液口，得到锂离子电池。
[0085]实施例7
[0086]1.按照85:10:5的质量比，分别称取8.5g的实施例1中制备的石墨烯-锡复合材料，Ig的聚偏氟乙烯以及5g的乙炔黑，混合均匀后得到正极材料；
[0087]2.将正极材料涂覆在铜箔上，经干燥、切片处理，得到正极片。
[0088]3.以锂片作为负极片，将锂片、隔膜以及上步中制得的正极片按照顺序叠片组装成电芯。
[0089]4.将制得的电芯封装在电池壳体内，再通过电池壳体上的注液口往电池壳体里注入电解质浓度为lmol/L的LiTFSI/碳酸丙烯酯电解液(表示电解质是LiTFS1、溶剂是碳酸丙烯酯的电解液)，密封注液口，得到锂离子电池。
[0090]实施例8
[0091]1.按照83:8:9的质量比，分别称取8.3g的实施例1中制备的石墨烯-锡复合材料，0.Sg的聚偏氟乙烯以及0.9g的乙炔黑，混合均匀后得到正极材料；
[0092]2.将正极材料涂覆在铜箔上，经干燥、切片处理，得到正极片。
[0093]3.以锂片作为负极片，将锂片、隔膜以及上步中制得的正极片按照顺序叠片组装成电芯。
[0094]4.将制得的电芯封装在电池壳体内，再通过电池壳体上的注液口往电池壳体里注入电解质浓度为lmol/L的LiFSI/碳酸乙烯酯/乙腈电解液(表示电解质是LiFS1、溶剂是碳酸乙烯酯与乙腈的混合溶剂形成的电解液)，密封注液口，得到锂离子电池。
[0095]表I为实施例51在0.1C电流下进行充放电测试第2圈和第301圈所获得的储能容量。
[0096]表I
【权利要求】
1.一种石墨烯-锡复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 将氧化石墨分散在去离子水中，按照氧化石墨与四氯化锡质量比为10:2~4的比例向所述去离子水中加入四氯化锡，超声分散，得到混合溶液； 向所述混合溶液中加入还原剂，在8(noo°c下进行还原反应，得到石墨烯-锡悬浮液；及 过滤所述石墨烯-锡悬浮液，对滤渣进行洗涤、干燥后得到所述石墨烯-锡复合材料。
2.如权利要求1所述的石墨烯-锡复合材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨按照下述步骤制备: 将石墨加入至98%浓硫酸与65%浓硝酸组成的混合溶液中，并在冰水混合浴的环境下搅拌至形成均匀的混合物；及 向所述混合物中加入高锰酸钾，搅拌并升温至85°C后保持温度30分钟，保持温度加入去离子水后静置30分钟，再加入体积浓度为30%的过氧化氢溶液，搅拌10分钟后，对反应体系进行抽滤处理，得到的滤渣依次使用稀盐酸及去离子水洗涤多次，烘干后得到氧化石墨。
3.如权利要求2所述的石墨烯-锡复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨原料的质量、所述98%浓硫酸的体积、所述65%浓硫酸的体积、所述高锰酸钾的质量及所述过氧化氢!的体积比例为Ig: 85~95mL: 24~25mL: 4~6g: 6~10mL。
4.如权利要求1所述的石墨烯-锡复合材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨在所述氧化石墨四氯化锡混合溶液中的浓度为0.5"lmg/mL。
5.如权利要求1所述的石墨烯-锡复合材料的制备方法，其特征在于，所述还原剂为硼氢化钠或水合阱。
6.一种石墨烯-锡复合材料，其特征在于，所述复合材料是按照如权利要求1-6中任一项所述的石墨烯-锡复合材料的制备方法制备得到的。
7.—种锂离子电池，包括正极，所述正极包括集流体及涂覆在所述集流体上的正极材料，所述正极材料包括导电剂、粘结剂及正极活性材料，其特征在于，正极活性材料为权利要求7所述的石墨烯-锡复合材料。
8.—种锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 按照质量比为80-85:5~10:5~10的比例，将如权利要求7中所述的石墨烯-锡复合材料与粘结剂及导电剂混合均匀，得到正极材料； 将所述正极材料涂覆在铜箔上，经干燥、切片处理后得到正极片； 以锂片作为负极片，将所述锂片、隔膜、所述正极片组装成电芯； 将所述电芯封装在电池壳体内，并向所述电池壳体内注入电解液，密封后得到锂离子电池。
9.如权利要求8所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚偏氟乙烯；所述导电剂为乙炔黑。
10.如权利要求8所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于，所述电解液中的电解质为LiPF6、LiBF4, LiN(SO2CF3)2或LiN(SO2F)2，所述电解液中的溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯或乙腈，所述电解质在所述电解液中的浓度为lmol/L。
【文档编号】H01M10/058GK103579627SQ201210259658
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月25日 优先权日:2012年7月25日
【发明者】周明杰, 钟辉, 王要兵 申请人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技术有限公司