本发明属于电池技术领域，具体涉及一种高容量高倍率的氮掺杂石墨烯负极材料的制备方法。
背景技术：
锂离子电池因其优越的性能已广泛应用于便携式电子设备领域。然而，随着电子产品的深度发展，尤其是电动汽车、混合动力汽车等新型工具的不断涌现，对电源提出了新的要求。这使得锂离子电池面临着新的挑战，研发新型高性能锂离子电池显得尤为迫切。负极材料是锂离子电池的重要组成部分，其结构与性质对锂离子电池的性能有着决定性的影响。目前商业上使用石墨碳作为锂离子电池的负极材料，但是石墨碳由于比容量低和倍率性能差的缺点，已经制约了锂离子电池性能的提高，所以，开发新型锂离子负极材料无疑具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高容量高倍率的氮掺杂石墨烯负极材料的制备方法，提高电极材料的容量，具有优越的倍率性能和循环稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高容量高倍率的氮掺杂石墨烯负极材料的制备方法，包括如下步骤:
(1)氧化石墨烯的制备：将天然石墨与浓硫酸和磷酸混合均匀，缓慢加入高锰酸钾在20-50℃恒温水浴，反应2-5h，然后再加去离子水后将水浴温度升高至80-120℃，反应20-60min，然后加入质量分数浓度为30％的双氧水，最后用盐酸和去离子水洗涤至溶液ph值偏中性，冷冻干燥，得到氧化石墨烯；
(2)将氧化石墨烯加入去离子水中，超声分散30-50min，得到氧化石墨烯悬浮液；
(3)向氧化石墨烯悬浮液中加入十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵，搅拌30-60min，再加入吡咯单体，混合物在0-5℃下搅拌20-28h，然后置于80℃烘箱中干燥，将干燥好的物质分散到氢氧化钾中，在室温下搅拌20-28h，然后过滤，得到物质在70℃烘箱中干燥，然后得到的产物在氮气氛围下800℃烧2-4h，得到的产物再用盐酸洗涤干燥，得到氮掺杂多孔石墨烯；
(4)将氮掺杂多孔石墨烯加入到高锰酸钾溶液中，搅拌30-60min，然后将混合溶液转移至反应釜中180℃反应30-60min，冷却至室温后对溶液进行离心并用去离子水和乙醇进行洗涤，得到的黑色产物最后在80℃真空干燥6h，得到高容量高倍率的氮掺杂石墨烯负极材料。
优选的，步骤1，天然石墨、浓硫酸、磷酸、高锰酸钾、去离子水、质量分数浓度为30％的双氧水的质量比为2-8:80-180:80-200:1-5:150-400:1-5。
优选的，步骤2，氧化石墨烯、去离子水的质量比为2-5:40-80。
优选的，步骤3，氧化石墨烯悬浮液、十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵、吡咯单体、氢氧化钾的质量比为60-100:1-4:2-6:1-5:40-80。
优选的，步骤4，聚丙烯酰胺、六水合硝酸钴、氮掺杂石墨烯、去离子水的质量比为1-10:4-12:3-6:150-300。
本发明具有以下有益效果：本发明的一种高容量高倍率的氮掺杂石墨烯负极材料的制备方法，具有优越的倍率性能和循环稳定性；氮掺杂可以形成n型半导体，从而增加石墨烯的导电性，经掺杂而形成的多孔的结构可以提供更多的储锂位点，从而提高电极材料的容量；氮掺杂多孔石墨烯与二氧化锰的复合可以缓解过渡金属氧化物在充放电过程中因为体积变化而导致的结构损坏，还可以提供更多的储锂位点；另一方面石墨烯优越的导电性还可以提高材料的电子导电性，缩短锂离子的扩散距离。二者的协同效应可以提高材料的循环稳定性和倍率性能。
具体实施方式
实施例1
(1)氧化石墨烯的制备：将天然石墨与浓硫酸和磷酸混合均匀，缓慢加入高锰酸钾在20℃恒温水浴，反应2h，然后再加去离子水后将水浴温度升高至80℃，反应20min，然后加入质量分数浓度为30％的双氧水，最后用盐酸和去离子水洗涤至溶液ph值偏中性，冷冻干燥，得到氧化石墨烯；天然石墨、浓硫酸、磷酸、高锰酸钾、去离子水、质量分数浓度为30％的双氧水的质量比为2:80:80:1:150:1；
(2)将氧化石墨烯加入去离子水中，超声分散30min，得到氧化石墨烯悬浮液；氧化石墨烯、去离子水的质量比为2:40；
(3)向氧化石墨烯悬浮液中加入十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵，搅拌30min，再加入吡咯单体，混合物在0℃下搅拌20h，然后置于80℃烘箱中干燥，将干燥好的物质分散到氢氧化钾中，在室温下搅拌20h，然后过滤，得到物质在70℃烘箱中干燥，然后得到的产物在氮气氛围下800℃烧2h，得到的产物再用盐酸洗涤干燥，得到氮掺杂多孔石墨烯；氧化石墨烯悬浮液、十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵、吡咯单体、氢氧化钾的质量比为60:1:2:1:40；
(4)将氮掺杂多孔石墨烯加入到高锰酸钾溶液中，搅拌30min，然后将混合溶液转移至反应釜中180℃反应30min，冷却至室温后对溶液进行离心并用去离子水和乙醇进行洗涤，得到的黑色产物最后在80℃真空干燥6h，得到高容量高倍率的氮掺杂石墨烯负极材料；聚丙烯酰胺、六水合硝酸钴、氮掺杂石墨烯、去离子水的质量比为1:4:3:150。
实施例2
(1)氧化石墨烯的制备：将天然石墨与浓硫酸和磷酸混合均匀，缓慢加入高锰酸钾在50℃恒温水浴，反应5h，然后再加去离子水后将水浴温度升高至120℃，反应60min，然后加入质量分数浓度为30％的双氧水，最后用盐酸和去离子水洗涤至溶液ph值偏中性，冷冻干燥，得到氧化石墨烯；天然石墨、浓硫酸、磷酸、高锰酸钾、去离子水、质量分数浓度为30％的双氧水的质量比为8:180:200:5:400:5；
(2)将氧化石墨烯加入去离子水中，超声分散50min，得到氧化石墨烯悬浮液；氧化石墨烯、去离子水的质量比为5:80；
(3)向氧化石墨烯悬浮液中加入十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵，搅拌60min，再加入吡咯单体，混合物在5℃下搅拌28h，然后置于80℃烘箱中干燥，将干燥好的物质分散到氢氧化钾中，在室温下搅拌28h，然后过滤，得到物质在70℃烘箱中干燥，然后得到的产物在氮气氛围下800℃烧4h，得到的产物再用盐酸洗涤干燥，得到氮掺杂多孔石墨烯；氧化石墨烯悬浮液、十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵、吡咯单体、氢氧化钾的质量比为100:4:6:5:80；
(4)将氮掺杂多孔石墨烯加入到高锰酸钾溶液中，搅拌60min，然后将混合溶液转移至反应釜中180℃反应60min，冷却至室温后对溶液进行离心并用去离子水和乙醇进行洗涤，得到的黑色产物最后在80℃真空干燥6h，得到高容量高倍率的氮掺杂石墨烯负极材料；聚丙烯酰胺、六水合硝酸钴、氮掺杂石墨烯、去离子水的质量比为10:12:6:300。
实施例3
(1)氧化石墨烯的制备：将天然石墨与浓硫酸和磷酸混合均匀，缓慢加入高锰酸钾在30℃恒温水浴，反应3h，然后再加去离子水后将水浴温度升高至95℃，反应35min，然后加入质量分数浓度为30％的双氧水，最后用盐酸和去离子水洗涤至溶液ph值偏中性，冷冻干燥，得到氧化石墨烯；天然石墨、浓硫酸、磷酸、高锰酸钾、去离子水、质量分数浓度为30％的双氧水的质量比为4:110:130:2:210:3；
(2)将氧化石墨烯加入去离子水中，超声分37，得到氧化石墨烯悬浮液；氧化石墨烯、去离子水的质量比为3:55；
(3)向氧化石墨烯悬浮液中加入十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵，搅拌40min，再加入吡咯单体，混合物在2℃下搅拌24h，然后置于80℃烘箱中干燥，将干燥好的物质分散到氢氧化钾中，在室温下搅拌23h，然后过滤，得到物质在70℃烘箱中干燥，然后得到的产物在氮气氛围下800℃烧3h，得到的产物再用盐酸洗涤干燥，得到氮掺杂多孔石墨烯；氧化石墨烯悬浮液、十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵、吡咯单体、氢氧化钾的质量比为75:2:3:2:55；
(4)将氮掺杂多孔石墨烯加入到高锰酸钾溶液中，搅拌40min，然后将混合溶液转移至反应釜中180℃反应40min，冷却至室温后对溶液进行离心并用去离子水和乙醇进行洗涤，得到的黑色产物最后在80℃真空干燥6h，得到高容量高倍率的氮掺杂石墨烯负极材料；聚丙烯酰胺、六水合硝酸钴、氮掺杂石墨烯、去离子水的质量比为4:7:4:220。
实施例4
(1)氧化石墨烯的制备：将天然石墨与浓硫酸和磷酸混合均匀，缓慢加入高锰酸钾在40℃恒温水浴，反应4h，然后再加去离子水后将水浴温度升高至110℃，反应50min，然后加入质量分数浓度为30％的双氧水，最后用盐酸和去离子水洗涤至溶液ph值偏中性，冷冻干燥，得到氧化石墨烯；天然石墨、浓硫酸、磷酸、高锰酸钾、去离子水、质量分数浓度为30％的双氧水的质量比为6:165:180:4:360:4；
(2)将氧化石墨烯加入去离子水中，超声分散43min，得到氧化石墨烯悬浮液；氧化石墨烯、去离子水的质量比为4:68；
(3)向氧化石墨烯悬浮液中加入十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵，搅拌60min，再加入吡咯单体，混合物在4℃下搅拌26h，然后置于80℃烘箱中干燥，将干燥好的物质分散到氢氧化钾中，在室温下搅拌26h，然后过滤，得到物质在70℃烘箱中干燥，然后得到的产物在氮气氛围下800℃烧3h，得到的产物再用盐酸洗涤干燥，得到氮掺杂多孔石墨烯；氧化石墨烯悬浮液、十六烷基三甲基溴化铵、过硫酸铵、吡咯单体、氢氧化钾的质量比为85:3:5:4:68；
(4)将氮掺杂多孔石墨烯加入到高锰酸钾溶液中，搅拌50min，然后将混合溶液转移至反应釜中180℃反应50min，冷却至室温后对溶液进行离心并用去离子水和乙醇进行洗涤，得到的黑色产物最后在80℃真空干燥6h，得到高容量高倍率的氮掺杂石墨烯负极材料；聚丙烯酰胺、六水合硝酸钴、氮掺杂石墨烯、去离子水的质量比为8:9:4:280。