还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料，其制备方法及应用与流程

本发明涉及电池领域，特别涉及还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料，其制备方法及应用。

背景技术：

锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池具有能量高、循环寿命长和无污染等突出优点，已经成为电池市场的主流，并开始应用于驱动电动电池。

锂离子电池的能量密度和寿命等性能主要由其电极材料决定。因此开发高性能的电极材料已经成为电池研究的热点。在负极材料方面，碳材料或者金属碳化物材料均可以作为负极材料应用。

其中，多金属氧酸盐(polyoxometalates，简称poms)是一类由前过渡金属组成的金属碳化物簇，迄今已有长达一百八十多年的历史。由同类金属中心原子含氧酸盐缩合形成的多金属氧酸盐称之为同多酸，由不同种类金属中心原子含氧酸盐缩合形成的多金属氧酸盐称之为杂多酸。多金属氧酸盐由于其分子级别可调，杂原子可取代等特点，具有多种不同的结构。常见的多金属氧酸盐结构有六大类，分别是keggin型、dawson型、anderson型、waugh型、lindquist型、silverton型。多金属氧酸盐由于其具有较强的酸性、活泼的氧化还原特性以及良好的生物兼容性等，其在生物医药、工业催化、电极材料中有着广泛的应用。

以多金属氧酸盐为负极材料具有更高的安全性，在低循环数时能够保持较高的比容量。然而，仅以多金属氧酸盐作为负极材料面临着循环寿命低和导电性差的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料、其制备方法及应用，所述复合材料作为锂离子电池的负极材料时，比容量较高，性能稳定。

本发明公开了一种还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料，包括还原氧化石墨烯、碳化钒颗粒和碳化钼颗粒；所述碳化钒颗粒和碳化钼颗粒结合在所述还原氧化石墨烯的表面。

优选地，所述碳化钒颗粒和碳化钼颗粒的总质量与所述还原氧化石墨烯质量的比例为0.10～0.25。

本发明公开了一种还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

氧化石墨烯、苯胺和钼基多酸在水中混合反应，得到中间产物；

将所述中间产物进行煅烧处理，得到还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料。

优选地，所述煅烧处理后还包括：将煅烧处理后的产物浸泡于0.5m的硫酸中，去除杂质后，经水洗干燥，得到还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料。

优选地，所述钼基多酸为keggin型多酸，其分子式为h3+x[pmo12-xvxo40]，其中，x为1～3的整数。

优选地，所述氧化石墨烯、苯胺和钼基多酸的质量比为5:330:(540～580),优选地，所述反应的温度为40℃～80℃，所述反应的时间为20～40小时。

优选地，所述煅烧处理时，逐渐升温至900℃～1000℃，然后于900℃～1000℃条件下煅烧1～5小时。

本发明还公开了一种锂离子电池负极，包括上述技术方案所述的还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料、导电剂和粘结剂；

所述还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料、导电剂和粘结剂的质量比为(70～85):(5～20):(5～15)。

本发明还公开了一种锂离子电池，包括上述技术方案所述的锂离子电池负极。

与现有技术相比，本发明的还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料经过一步氧化还原反应得到，还原氧化石墨烯具有更好的电子传导率；另外结合在所述还原氧化石墨烯表面的碳化钒及碳化钼颗粒促使复合材料具有更高的电负性，有利于吸附和传输锂离子，该种复合材料作为锂离子电池的阴极时，具有较大的比容量。

附图说明

图1表示未经煅烧时中间产物的电镜图；

图2表示还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料的电镜图；

图3表示还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料的循环寿命和库伦效率图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明的限制。

本发明的实施例公开了一种还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料，包括还原氧化石墨烯、碳化钒颗粒和碳化钼颗粒；所述碳化钒颗粒和碳化钼颗粒结合在所述还原氧化石墨烯的表面。

优选地，所述碳化钒颗粒和碳化钼颗粒的总质量与所述还原氧化石墨烯质量的比例为0.10～0.25，更优选为0.15。所述碳化钼颗粒和碳化钒颗粒以包覆力以及静电吸附力结合于还原氧化石墨烯表面。

本发明的实施例公开了一种还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

氧化石墨烯、苯胺和钼基多酸混合反应，得到中间产物；

将所述中间产物进行煅烧处理，得到还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料。

以下按照步骤具体说明还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料的制备方法：

步骤s1：氧化石墨烯、苯胺和钼基多酸在水中混合反应，得到中间反物。

优选地，所述钼基多酸为keggin型多酸，其分子式为h3+x[pmo12-xvxo40]，其中，x为1～3的整数；更优选地，所述钼基多酸为h5[pmo10v2o40]。其中，钼、钒具有多种价态。

所述分子式为h3+x[pmo12-xvxo40]的钼基多酸的制备方法优选为：将钒酸钠的水溶液和磷酸二氢钠的水溶液、在浓硫酸催化作用下反应，然后加入钼酸钠及浓硫酸继续反应，反应产物经萃取、重结晶，得到分子式为h3+x[pmo12-xvxo40]的钼基多酸。

所述氧化石墨烯的制备方法优选为hummer’s法。

在该步骤中，氧化石墨烯、苯胺和钼基多酸同时加入；在水相中，钼基多酸具有很强的氧化性，能首先与苯胺单体进行作用，引发苯胺聚合，同时钼基多酸阴离子被还原，形成含有低价钛钼和钒的酸根；含有低价钛钼和钒的酸根与氧化石墨烯作用，氧化石墨烯被还原，含有低价钛钼和钒的酸根中的钼原子和钒原子重新被氧化至最高价态，即钼基多酸，完成了一步氧化还原，得到中间产物。另外，钼基多酸也是质子酸之一，因此在苯胺聚合过程中，实现了质子酸掺杂，从而形成导电的半氧化还原状态，其稳定性较好。

所述中间产物以部分还原的氧化石墨烯为基底，钼基多酸呈单分散形式被聚苯胺包裹于部分还原的氧化石墨烯表面，形成夹心型结构，此结构能有效防止钼基多酸在后续处理过程中出现团聚现象。

所述氧化石墨烯、苯胺和钼基多酸的质量比优选为5:330:(540～580)，更优选为5:330:560。

该步骤优选为：氧化石墨烯、钼基多酸和苯胺分别溶于水，形成水溶液后再混合，反应，得到中间产物。

所述反应的温度优选为40℃～80℃，更优选为50～55℃；所述反应的时间优选为20～40小时，更优选为30～35小时。

步骤s2：将所述中间产物进行煅烧处理，得到还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料。

在煅烧过程中，聚苯胺作为中间产物的还原剂，进一步还原中间产物，并且由于煅烧作用，聚苯胺和钼基多酸分解，最终形成碳化钼颗粒和碳化钒颗粒，两者结合于还原氧化石墨烯表面。所述碳化钼颗粒和碳化钒颗粒以包覆力以及静电吸附力结合于还原氧化石墨烯表面。

优选地，所述煅烧处理时，逐渐升温至900℃～1000℃，然后于900℃～1000℃条件下煅烧1～5小时。经过煅烧，彻底去除聚苯胺。

所述煅烧处理后优选地还包括：将煅烧处理后的产物浸泡于0.5m的硫酸中，去除杂质后，经水洗干燥，得到还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料。

本发明还公开了一种锂离子电池负极，包括上述技术方案所述的还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料、导电剂和粘结剂；

所述还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料、导电剂和粘结剂的质量比为(70～85):(5～20):(5～15)。

所述还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料、导电剂和粘结剂的质量比优选为80:10:10、70:20:10或者85:5:10。

所述导电剂优选为炭黑，所述粘结剂优选为聚偏氟乙烯(pvdf)。本发明对于导电剂以及粘结剂的来源没有特殊限制，按照本领域技术人员常规选择即可。

本发明还公开了一种锂离子电池，包括上述技术方案所述的锂离子电池负极。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的还原氧化石墨烯-金属碳化物复合材料、其制备方法及其应用进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

称取3g鳞片石墨于1l大烧杯中，加入360ml浓硫酸和40ml浓磷酸，充分搅拌分散开。随后缓慢加入18g高锰酸钾。在50℃下剧烈搅拌12h，然后冷却至室温。将所得混合液倒入含400ml冰水混合物的2l大烧杯中，剧烈搅拌至冷却。随后加入10ml30％的双氧水，得亮黄色分散液。将该分散液用4000转/分钟的低速离心机分离得棕黄色沉淀，先后用400ml去离子水洗两次，400ml30％的hcl洗两次，然后再用去离子水洗3次。最后将产物进行冷冻干燥，即可得到剥离的少片层氧化石墨烯。

实施例2

称取24.4g原钒酸钠溶于100ml沸水中，过滤除去不溶物。然后加入100ml溶解有7.1g的磷酸氢二钠溶液。待溶液冷却后加入5ml的浓硫酸。随后加入200ml事先溶解有121g的钼酸钠溶液，剧烈搅拌下缓慢加入85ml浓硫酸。待反应冷却至室温后，加入过量乙醚进行萃取，收集多酸乙醚配合物层。挥发掉乙醚后，将粗产物进行重结晶，即得晶体h5[pmo10v2o40]·nh2o。

实施例3

配制12.5ml1mg/ml的氧化石墨烯溶液，并与150ml2mm的h5[pmo10v2o40]·nh2o多酸混合均匀，随后滴加230微升的苯胺分散在15ml的去离子水中的溶液，反应在50℃的油浴中反应30h，将所得产物离心，用无水乙醇洗至无色，即可以得到中间产物。

称取1g中间产物，在管式炉中通n2以5℃每分钟的升温速率升温至900℃焙烧2h，随后以正常速率降温冷却。所得黑色固体粉末用0.5m的硫酸浸泡搅拌24h以除去表面的浮质。然后用去离子水洗到中性，在70℃下干燥24h，得到复合材料。

称取复合材料按活性物质：导电剂(炔黑)：粘结剂(3％的pvdf溶液)的质量比为80:10:10的比例混合均匀涂覆于铜箔表面。经过120℃下真空干燥过夜的电极片在手套箱里组装成电池，对电极为金属锂片，电解液为1m的lipf6(溶剂为ec/dec＝1:1)。组装好的纽扣电池在辰华chi660e电化学工作站上测试循环伏安曲线及电化学阻抗谱，电池的充放电测试在蓝电ct2001a电池测试系统中测试。

测试结果参见图3。由图3可知，采用本实施例制备的复合材料作为锂离子电池负极，显示了非常好的容量提升作用，100mah/g的电流密度下循环百次比容量达到1066mah/g，因此具有较强的应用价值。

实施例4

配制12.5ml1mg/ml的氧化石墨烯溶液，并与150ml2mm的h4[pmo11v1o40]·nh2o多酸混合均匀，随后滴加230微升的苯胺分散在15ml的去离子水中的溶液，反应在45℃的油浴中反应40h，将所得产物离心，用无水乙醇洗至无色，即可以得到中间产物。

称取1g中间产物，在管式炉中通n2以5℃每分钟的升温速率升温至950℃焙烧3h，随后以正常速率降温冷却。所得黑色固体粉末用0.5m的硫酸浸泡搅拌24h以除去表面的浮质。然后用去离子水洗到中性，在70℃下干燥24h，得到复合材料。

称取复合材料按活性物质：导电剂(炔黑)：粘结剂(3％的pvdf溶液)的质量比为75:15:15的比例混合均匀涂覆于铜箔表面。经过120℃下真空干燥过夜的电极片在手套箱里组装成电池，对电极为金属锂片，电解液为1m的lipf6(溶剂为ec/dec＝1:1)。组装好的纽扣电池在辰华chi660e电化学工作站上测试循环伏安曲线及电化学阻抗谱，电池的充放电测试在蓝电ct2001a电池测试系统中测试。

采用本实施例制备的复合材料作为锂离子电池负极，显示了非常好的容量提升作用，100mah/g的电流密度下循环百次比容量达到1050mah/g，因此具有较强的应用价值。

实施例5

配制12.5ml1mg/ml的氧化石墨烯溶液，并与150ml2mm的h6[pmo9v3o40]·nh2o多酸混合均匀，随后滴加230微升的苯胺分散在15ml的去离子水中的溶液，反应在55℃的油浴中反应33h，将所得产物离心，用无水乙醇洗至无色，即可以得到中间产物。

称取1g中间产物，在管式炉中通n2以5℃每分钟的升温速率升温至1000℃焙烧1.5h，随后以正常速率降温冷却。所得黑色固体粉末用0.5m的硫酸浸泡搅拌24h以除去表面的浮质。然后用去离子水洗到中性，在70℃下干燥24h，得到复合材料。

称取复合材料按活性物质：导电剂(炔黑)：粘结剂(3％的pvdf溶液)的质量比为85:10:10的比例混合均匀涂覆于铜箔表面。经过120℃下真空干燥过夜的电极片在手套箱里组装成电池，对电极为金属锂片，电解液为1m的lipf6(溶剂为ec/dec＝1:1)。组装好的纽扣电池在辰华chi660e电化学工作站上测试循环伏安曲线及电化学阻抗谱，电池的充放电测试在蓝电ct2001a电池测试系统中测试。

采用本实施例制备的复合材料作为锂离子电池负极，显示了非常好的容量提升作用，100mah/g的电流密度下循环百次比容量达到1064mah/g，因此具有较强的应用价值。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。