一种锂离子电池石墨烯复合电极材料的制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池电极材料技术领域，特别涉及一种锂离子电池石墨烯复合电极材料的制备方法。

背景技术：

目前，锂离子电池作为一种常用的便携储能装置，受到越来越多的关注。但如何提高锂离子电池的比容量、倍率性能以及循环稳定性，是亟需解决的主要问题。电极材料是改善锂离子电池性能的关键。目前锂离子电池常用的正极材料为磷酸铁锂、钴酸锂，锰酸锂及三元材料负极材料为石墨、金属氧化物等。石墨烯由于其本身具有高的电子迁移率以及较高的比表面积，与现有的锂离子电池电极材料复合，可以在一定程度上改善现有电极材料的性能。锂离子及电子在材料中的传输决定材料的倍率性能和循环稳定性。石墨烯由于具有好的导电性，与现有的锂离子电池电极材料复合后，可以在一定程度上改善电极材料的导电性。离子及电子在石墨烯基复合材料中的传输分为两部分，一种是在石墨烯上的传输，一种是在石墨烯和被复合活性物质的界面进行传输。因此构筑石墨烯与被复合材料之间的结合界面非常重要，直接影响电极材料的倍率特性。不仅如此，石墨烯由于其具有很好的柔性，还可以形成卷曲包裹的结构，有理论证明石墨烯卷曲包裹的敞开结构更有利于其他物质的插层和包裹，因此更有利于进行化学掺杂和储氢，同时在超级电容器、锂离子电池以及纳电子器件方面也将会有不错的应用前景(Nano.Lett.2009,9,2565)。

如果能够通过一定的方法，构筑石墨烯与被复合活性物质之间的结合界面，加快锂离子及电子在复合材料两者之间的传输速率，并且将石墨烯的卷曲包裹结构和界面构筑相结合，将会在很大程度上提高复合电极材料的倍率性能以及循环稳定性。如果能够发明一种简单、快捷、高效的方法制备出宏量的具有结合界面及卷曲结构的石墨烯基复合电极材料，将会对锂离子电池的性能的改进产生非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明提供一种锂离子电池石墨烯复合电极材料的制备方法，本发明以简单、快捷、高效的方法制备出宏量的具有结合界面及卷曲结构的石墨烯基复合电极材料。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种锂离子电池石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)混合原料制备：以大尺寸天然鳞片石墨为原料，采用化学氧化法制备氧化石墨烯分散液，同时将需要被复合的活性物质在水中进行分散；

(2)表面活性剂添加：将氧化石墨烯分散液及被复合活性物质的分散液进行混合，然后添加阴离子表面活性剂水溶液，辅助超声使三者混合均匀；

(3)复合材料的干燥及还原：将三者的混合液加热到60℃，在液氮中迅速冷却，以制备氧化石墨烯卷状包裹结构，待溶液完全结冰后，采用原位冷冻干燥的方法将其进行干燥；将干燥后的复合材料在惰性气体中采用加热或添加化学还原剂的方式进行还原，最终得到用于锂离子电池的石墨烯基复合电极材料。

其中，优选地，所述天然鳞片石墨的尺寸>100μm，所述步骤(1)中化学氧化法为采用改性Hummers法对石墨进行氧化，制备的氧化石墨烯分散液的浓度为0.5～7mg/ml，所述被复合活性物质为浓度为0.5～5mg/ml的水分散液。

其中，优选地，所述被复合活性物质为有容量的金属氧化物或锂离子电池的正极材料；所述金属氧化物为Fe₃O₄、Co₃O₄或NiO；锂离子电池的正极材料为锂钴氧化物、锂镍氧化物或锂锰氧化物。

其中，所述Fe₃O₄是采用下述制备方法制成：采用分析纯的六水合三氯化铁，以乙二醇为分散介质，添加醋酸钠及柠檬酸钠，于水热反应釜中水热200℃，反应10h，冷却至室温，将沉淀用乙醇和蒸馏水反复清洗后，于25℃真空干燥箱中烘干，即得。

其中，所述Co₃O₄是采用下述制备方法制成：取硝酸钴、六次甲基四胺、柠檬酸三钠溶于30mL去离子水中，室温下磁力搅拌直至溶液变为澄清；然后将混合物转入内衬聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，装填度为80％，密封、100℃恒温24h；反应完全冷却至室温可得紫红色沉淀，抽滤，用去离子水、无水乙醇反复淋洗，60℃下真空干燥24h；将得到的粉末在200℃在马弗炉中热处理3h得到Co₃O₄黑色粉末。

其中，取硝酸镍和六次甲基四胺溶于30mL去离子水中，然后加入柠檬酸三钠，室温下磁力搅拌10min，然后将混合物转入内衬聚四氟乙烯的不锈钢水热反应釜中，装填度为80％，密封、100℃恒温12h；反应完全冷却至室温得到绿色沉淀，抽滤，用去离子水、无水乙醇洗涤，80℃下真空干燥24h；将得到的粉末在300℃时在马弗炉中热处理3h得到NiO黑色粉末。

其中，优选地，所述阴离子表面活性剂为柠檬酸钠或十二烷基磺酸钠，所述阴离子表面活性剂水溶液浓度为0.05～5mg/ml。

其中，优选地，所述步骤(2)中所述氧化石墨烯分散液、所述被复合活性物质的分散液和所述阴离子表面活性剂水溶液的体积比为(1～2):(1～2):(0.1～0.2)。

其中，优选地，所述步骤(3)中所述加热的温度为300℃～800℃，所述化学还原剂为水合肼溶液或水合肼蒸汽，化学还原的时间为8～16h。

本发明的有益效果：

1.本发明的目的在于改善传统锂离子电池的倍率性能及循环稳定性能，即通过添加阴离子表面活性剂构筑石墨烯与被复合电极材料的结合界面，提高锂离子在充放电过程中的传输速率；且通过液氮冷淬以制备石墨烯的卷曲结构。该材料具有较高的比电容和极好的倍率性能，且具有制备流程简单，成本较低(所用试剂廉价)，易于大量制备等优点，因此可以作为一种改变锂离子电池倍率性能的理想材料。

2.本发明利用阴离子表面活性剂改变被复合电极材料的zeta电位和表面活性，并将其与改性的Hummers法制备的氧化石墨烯分散液超声复合，构筑石墨烯与被复合活性物质之间的结合界面，并与石墨烯卷曲结构相结合，得到具有高倍率特性及循环稳定性能的电极材料。

3.本发明制备过程可控，工艺简单、制备周期短、成本低，可有望进一步改善传统锂离子电池的比容量和倍率性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1未添加柠檬酸钠制备石墨烯/Fe₃O₄复合材料的扫描电镜照片；

图2未添加柠檬酸钠制备石墨烯/Fe₃O₄复合材料的循环稳定性及倍率性能；

图3添加柠檬酸钠制备石墨烯/Fe₃O₄复合材料的扫描电镜照片；

图4添加柠檬酸钠制备石墨烯/Fe₃O₄卷状复合材料的循环稳定性及倍率性能；

图5添加柠檬酸钠制备石墨烯/Co₃O₄卷状复合材料的锂电数据对比；

图6添加柠檬酸钠制备石墨烯/NiO卷状复合材料的锂电数据对比。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下述实施例中所用的天然鳞片石墨的尺寸>100μm。

实施例1

采用分析纯的1.35g六水合三氯化铁，以25mL乙二醇为分散介质，添加2.7g醋酸钠及1g柠檬酸钠，于水热反应釜中水热200℃，反应10h，冷却至室温，将沉淀用乙醇和蒸馏水反复清洗后，于25℃真空干燥箱中烘干，而后配置成1mg/ml的Fe₃O₄分散液。

以天然鳞片石墨为原料，采用改性Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化，制备的氧化石墨烯分散液浓度为1mg/ml，将浓度为1mg/ml的氧化石墨烯分散液与浓度为1mg/ml的Fe₃O₄分散液复合，并添加0.1mg/ml的柠檬酸钠水溶液，氧化石墨烯分散液、Fe₃O₄的分散液和柠檬酸钠水溶液的体积比为1:1:0.1，超声15min，加热至60℃置入试管中后放入液氮中冷淬，直至溶液完全结冰，然后将其进行原位冷冻干燥。干燥后得到卷状氧化石墨烯复合材料，再将其在Ar气保护下500℃还原，化学还原的时间为6h，制备石墨烯/Fe₃O₄卷状复合材料。

电镜观察结果表明：在此种条件下Fe₃O₄纳米颗粒均被包裹进石墨烯卷状结构中，无明显的堆积和团聚，石墨烯纳米卷形貌稳定且导电性得到显著提高。

组装锂电池测试结果表明：该复合材料作锂电负极材料电化学性能得到极大改善，比容量较石墨烯/Fe₃O₄纳米颗粒未经过特殊处理的材料上升40％，循环稳定性及倍率性能亦明显改善。

实施例2

Fe₃O₄分散液及氧化石墨烯分散液的制备方法同实施例1。

以天然鳞片石墨为原料，采用改性Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化，制备的氧化石墨烯分散液浓度为0.5mg/ml，将浓度为0.5mg/ml的氧化石墨烯分散液与浓度为0.5mg/ml的Fe₃O₄分散液复合，并添加0.05mg/ml的柠檬酸钠水溶液，氧化石墨烯分散液、Fe₃O₄的分散液和柠檬酸钠水溶液的体积比为1:2:0.2，加热至60℃置入试管中后放入液氮中冷淬，直至溶液完全结冰，然后将其进行原位冷冻干燥。干燥后得到卷状氧化石墨烯复合材料，再将其在Ar气保护下300℃还原，化学还原的时间为5h，从而得到石墨烯卷状复合材料。

电镜观察结果表明：在此种条件下有30％Fe₃O₄纳米颗粒发生自堆积与团聚，未与石墨烯发生充分结合，石墨烯纳米卷复合物形貌较差。

组装锂电池测试结果表明：该复合材料比电容较实施例1有所下降，循环稳定性及倍率性能较实施例1负极材料都有所不足。

实施例3

Fe₃O₄分散液及氧化石墨烯分散液的制备方法同实施例1。

以天然鳞片石墨为原料，采用改性Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化，制备的氧化石墨烯分散液浓度为7mg/ml，将浓度为7mg/ml的氧化石墨烯分散液与浓度为5mg/ml的Fe₃O₄分散液复合，并添加0.1mg/ml的柠檬酸钠水溶液，氧化石墨烯分散液、Fe₃O₄的分散液和柠檬酸钠水溶液的体积比为2:1:0.1，加热至60℃置入试管中后放入液氮中冷淬，直至溶液完全结冰，然后将其进行原位冷冻干燥。干燥后得到卷状氧化石墨烯复合材料，再将其在Ar气保护下800℃还原，化学还原的时间为7h，从而得到石墨烯卷状复合材料。

电镜观察结果表明：在此种条件下Fe₃O₄纳米颗粒有90％以上被包裹进石墨烯卷状结构中，且形成的石墨烯纳米卷卷曲程度更为完善且分散均匀。

组装锂电池测试结果表明：该复合材料比电容较实施例1有所下降，循环稳定性及倍率性能较实施例1负极材料都有所不足。

实施例4

Fe₃O₄分散液及氧化石墨烯分散液的制备方法同实施例1。

以天然鳞片石墨为原料，采用改性Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化，制备的氧化石墨烯分散液浓度为2mg/ml，将浓度为2mg/ml的氧化石墨烯分散液与浓度为2mg/ml的Fe₃O₄分散液复合，并添加5mg/ml的阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠，氧化石墨烯分散液、Fe₃O₄的分散液和十二烷基磺酸钠水溶液的体积比为1:1:0.15，超声15min，加热至60℃置入试管中后放入液氮中冷淬，直至溶液完全结冰，然后将其进行原位冷冻干燥。干燥后得到卷状氧化石墨烯复合材料，再将其在Ar气保护下400℃还原，化学还原的时间为10h，从而得到石墨烯卷状复合材料。

电镜观察结果表明：在此种条件下80％的Fe₃O₄纳米颗粒被包裹进石墨烯卷状结构中，部分发生堆积和团聚，导电性有所提高。

组装锂电池测试结果表明：该复合材料作锂电负极材料电化学性能得到极大改善，比容量较石墨烯/Fe₃O₄纳米颗粒未经过特殊处理的材料上升10％，循环稳定性及倍率性能亦明显改善。

实施例5

Fe₃O₄分散液及氧化石墨烯分散液的制备方法同实施例1。

以天然鳞片石墨为原料，采用改性Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化，制备的氧化石墨烯分散液浓度为3mg/ml，将浓度为3mg/ml的氧化石墨烯分散液与浓度为3mg/ml的Fe₃O₄分散液复合，并添加1mg/ml的阴离子表面活性剂柠檬酸钠，氧化石墨烯分散液、Fe₃O₄分散液和柠檬酸钠水溶液的体积比为1:2:0.1，超声15min，加热至60℃置入试管中后放入液氮中冷淬，直至溶液完全结冰，然后将其进行原位冷冻干燥。干燥后得到卷状氧化石墨烯复合材料，再将其在Ar气保护下500℃还原，化学还原的时间为8h，从而得到石墨烯卷状复合材料。

电镜观察结果表明：在此种条件下90％的Fe₃O₄纳米颗粒被包裹进石墨烯卷状结构中，堆积和团聚现象得以改善，导电性有所提高。

组装锂电池测试结果表明：该复合材料作锂电负极材料电化学性能得到一定改善，比容量较石墨烯/Fe₃O₄纳米颗粒未经过特殊处理的材料上升30％，循环稳定性及倍率性能亦明显改善。

实施例6

Fe₃O₄分散液及氧化石墨烯分散液的制备方法同实施例1。

以天然鳞片石墨为原料，采用改性Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化，制备的氧化石墨烯分散液浓度为4mg/ml，将浓度为4mg/ml的氧化石墨烯分散液与浓度为4mg/ml的Fe₃O₄分散液复合，并添加2mg/ml的阴离子表面活性剂柠檬酸钠，氧化石墨烯分散液、Fe₃O₄分散液和柠檬酸钠水溶液的体积比为2:1:0.1，超声15min，加热至60℃置入试管中后放入液氮中冷淬，直至溶液完全结冰，然后将其进行原位冷冻干燥。干燥后得到卷状氧化石墨烯复合材料，再将其在Ar气保护下600℃还原，化学还原的时间为4h，从而得到石墨烯卷状复合材料。

电镜观察结果表明：在此种条件下90％的Fe₃O₄纳米颗粒被包裹进石墨烯卷状结构中，无明显堆积和团聚，导电性有所提高。

组装锂电池测试结果表明：该复合材料作锂电负极材料电化学性能得到一定改善，比容量较石墨烯/Fe₃O₄纳米颗粒未经过特殊处理的材料上升20％，循环稳定性及倍率性能亦明显改善。

实施例7

称取3.16g硝酸钴，2.12g六次甲基四胺及1.23g柠檬酸三钠溶于30mL去离子水中，室温下磁力搅拌直至溶液变为澄清。然后将混合物转入内衬聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，装填度为80％，密封、100℃恒温24h。反应完全冷却至室温可得紫红色沉淀，抽滤，用去离子水、无水乙醇反复淋洗，60℃下真空干燥24h。将得到的粉末在200℃在马弗炉中热处理3h得到Co₃O₄黑色粉末，将其配置成3mg/mL的分散液。

以天然鳞片石墨为原料，采用改性Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化，制备的氧化石墨烯分散液浓度为5mg/ml，将Co₃O₄分散液与其混合，然后添加3mg/mL的柠檬酸钠，氧化石墨烯分散液、Co₃O₄分散液和柠檬酸钠水溶液的体积比为2:1:0.1超声15min，加热至60℃置入试管中后放入液氮中冷淬，直至溶液完全结冰，然后将其进行原位冷冻干燥。干燥后得到氧化石墨烯卷状复合材料，再将其在Ar气保护下采用水合肼蒸汽还原，化学还原的时间为8h。制备石墨烯/Co₃O₄卷状复合材料。

电镜观察结果表明：在此种条件下添加柠檬酸钠修饰的Co₃O₄纳米颗粒有80％以上被包裹进石墨烯卷状结构中。

组装锂电池测试结果表明：添加柠檬酸钠的复合材料经50次循环后比容量较无添加样品大50％。

实施例8

按一定比例称取4.36g硝酸镍和1.56g六次甲基四胺溶于30mL去离子水中，然后加入柠檬酸三钠，室温下磁力搅拌10min，然后将混合物转入内衬聚四氟乙烯的不锈钢水热反应釜中，装填度为80％，密封、100℃恒温12h。反应完全冷却至室温得到绿色沉淀，抽滤，用去离子水、无水乙醇洗涤，80℃下真空干燥24h。将得到的粉末在300℃时在马弗炉中热处理3h得到NiO黑色粉末。将其配置成3mg/mL的分散液。

以天然鳞片石墨为原料，采用改性Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化，制备的氧化石墨烯分散液浓度为6mg/ml，将NiO分散液与其混合，然后添加4mg/mL的柠檬酸钠水溶液，氧化石墨烯分散液、NiO分散液和柠檬酸钠水溶液的体积比为2:1:0.1，超声15min，加热至60℃后置入试管中后放入液氮中冷淬，直至溶液完全结冰，然后将其进行原位冷冻干燥。干燥后得到氧化石墨烯卷状复合材料，再将其加入5mL80％水合肼溶液还原，化学还原的时间为16h。制备石墨烯/NiO卷状复合材料。

电镜观察结果表明：在此种条件下添加柠檬酸钠修饰的NiO纳米颗粒被包裹程度更为完善，且形成的石墨烯纳米卷结构稳定且分散均匀。

组装锂电池测试结果表明：添加柠檬酸钠的复合材料比容量较无添加样品大50％，且循环稳定性有所改善。

如图1所示，在此种条件下70％的Fe₃O₄纳米颗粒被包裹进石墨烯卷状结构中，Fe₃O₄纳米颗粒部分发生堆积和团聚，并与石墨烯接触不完全，石墨烯纳米卷断裂明显，结构稳定性下降，石墨烯纳米卷的直径尺寸集中在300nm～400nm。

如图2所示，经组装锂电池测试，其1C倍率下电池比容量为812mAh g^-1，经100次电池比容量为684mAh g^-1，衰减20％左右。其倍率性能(0.1C，0.2C，0.5C，1C，2C，5C)分别为1185，1025，812，745，682，485mAh g^-1。

如图3所示，在此种条件下90％的Fe₃O₄纳米颗粒被包裹进石墨烯卷状结构中，Fe₃O₄纳米颗粒无明显堆积和团聚，并与石墨烯接触完全，石墨烯卷状结构形貌完善，导电性有所提高，石墨烯纳米卷的直径尺寸集中在200nm～300nm。

如图4所示，组装锂电池测试，1C倍率下电池比容量高达1102mAh g^-1，经100次电池比容量仍有1012mAh g^-1。其倍率性能(0.1C，0.2C，0.5C，1C，2C，5C)分别为1610，1420，1210，1135，825和624mAh g^-1。

如图5所示，石墨烯/Co₃O₄卷状复合材料经组装锂离子电池测试，0.1C倍率下，添加柠檬酸钠样品比容量为1200mAh/g，经50次循环后，比容量为1120mAh/g；而未添加柠檬酸钠的样品比容量从1150mAh/g衰减到730mAh/g，经500次循环后比容量较无添加剂样品大50％左右。

如图6所示，石墨烯/NiO卷状复合材料经组装锂离子电池测试，添加柠檬酸钠样品比容量0.1C倍率(1200mAh/g)及1C倍率(820mAh/g)，较无添加剂样品比容量，0.1C倍率(800mAh/g)及1C倍率(600mAh/g)都有较大改进。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。