一种石墨烯重构的石墨材料、其制备方法及锂电池负极

本发明属于材料，尤其涉及一种石墨烯重构的石墨材料、其制备方法及锂电池负极。

背景技术：

1、不可再生的化石燃料的大量使用导致社会能源枯竭，为保证社会与经济的可持续发展，对可再生的新能源的研究已经成为公众的关注重点。其中，锂离子电池作为一种清洁的二次能源，已在上世纪七十年代左右实现市场化，并随着技术的不断发展，现已广泛应用于电动汽车和便携电子设备中。然而，随着生产力的不断发展，现有的锂离子电池的性能已经逐渐不能满足市场需求，因此，开发一种能够在高倍率下进行稳定循环的快充锂离子电池是当下亟待解决的问题。

2、作为锂离子电池的关键组成部分之一，负极材料性能的优劣对锂离子电池的倍率性能有很大影响。目前，石墨材料因其成本低、电极电势低、循环寿命长等优点，成为商业化程度最高的锂离子电池负极材料。然而，石墨负极应用于快充型锂离子电池依然存在一些技术难题，如：锂离子嵌入石墨时的扩散路径为从层状边缘至材料内部，较长的扩散路径使得电池的倍率性能不理想。因此，需要开发一种使锂离子的脱嵌更高效的石墨材料，从而实现高倍率下的高质量比容量和稳定循环。

3、石墨烯作为碳的同素异形体之一，拥有高的载流子迁移率，能够加快锂离子的嵌入和脱出，提高电极的倍率循环性能；然而，石墨烯材料直接作为电池负极仍然存在一些缺点，包括电池循环的首次库仑效率低、初期容量衰减快等。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种石墨烯重构的石墨材料、其制备方法及锂电池负极，采用该石墨材料作为锂电池负极具有优异的高倍率循环性能。

2、本发明提供了一种石墨烯重构的石墨材料，由少层石墨烯和/或少层改性石墨烯堆叠而成；所述少层石墨烯和/或少层改性石墨烯的表面富含褶皱，且具有莫尔条纹。

3、优选的，所述少层改性石墨烯选自少层氧化石墨烯、少层氟化石墨烯与少层氢化石墨烯中的一种或多种；

4、所述石墨材料的择优取向为(002)面。

5、优选的，所述石墨材料的尺寸为1～500μm。

6、本发明还提供了一种上述的石墨烯重构的石墨材料的制备方法，包括以下步骤：

7、将石墨烯类材料分散液形成堆叠薄层，干燥处理后，在保护气氛中进行退火处理，得到石墨烯重构的石墨材料；所述石墨烯类材料分散液为石墨烯分散液和/或改性石墨烯分散液。

8、优选的，所述改性石墨烯分散液选自氧化石墨烯分散液、氟化石墨烯分散液与氢化石墨烯分散液中的一种或多种。

9、优选的，所述石墨烯类材料分散液的浓度为1～10g/l。

10、优选的，所述堆叠薄层的厚度为1～100μm。

11、优选的，所述干燥的温度为50℃～500℃；所述退火处理的温度为800℃～3000℃；所述退火处理的时间为0.5～10h。

12、本发明还提供了一种锂电池负极，包括上述的石墨烯重构的石墨材料。

13、优选的，还包括导电剂；所述石墨烯重构的石墨材料与导电剂的质量比为(5～10)：1。

14、本发明提供了一种石墨烯重构的石墨材料，由少层石墨烯和/或少层改性石墨烯堆叠而成；所述少层石墨烯和/或少层改性石墨烯的表面富含褶皱，且具有莫尔条纹。与现有技术相比，本发明提供的石墨材料颗粒尺寸较小，小粒径的石墨比表面积更大，和电解液的接触更为充分，可均匀化电极的局部电流密度，减轻电极的极化；并且该石墨材料各石墨烯片层或改性石墨烯片层富含褶皱、石墨烯片层或改性石墨烯片层之间的堆叠无序、随机，层与层之间具有本征的错位角度，使该石墨材料作为锂离子电池负极材料使用，能够大幅优化锂离子电池高倍率下的循环性能。

15、实验结果表明，作为锂离子电池负极材料，经半电池测试，石墨烯重构的石墨材料倍率性能优良：在2c、4c和6c循环下的质量比容量分别为309～331mah/g、244～311mah/g和188～233mah/g。

技术特征：

1.一种石墨烯重构的石墨材料，其特征在于，由少层石墨烯和/或少层改性石墨烯堆叠而成；所述少层石墨烯和/或少层改性石墨烯的表面富含褶皱，且具有莫尔条纹。

2.根据权利要求1所述的石墨材料，其特征在于，所述少层改性石墨烯选自少层氧化石墨烯、少层氟化石墨烯与少层氢化石墨烯中的一种或多种；

3.根据权利要求1所述的石墨材料，其特征在于，所述石墨材料的尺寸为1～500μm。

4.一种权利要求1所述的石墨烯重构的石墨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述改性石墨烯分散液选自氧化石墨烯分散液、氟化石墨烯分散液与氢化石墨烯分散液中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯类材料分散液的浓度为1～10g/l。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述堆叠薄层的厚度为1～100μm。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为50℃～500℃；所述退火处理的温度为800℃～3000℃；所述退火处理的时间为0.5～10h。

9.一种锂电池负极，其特征在于，包括权利要求1～3任意一项所述的石墨烯重构的石墨材料或权利要求4～8任意一项制备方法制备的石墨烯重构的石墨材料。

10.根据权利要求9所述的锂电池负极，其特征在于，还包括导电剂；所述石墨烯重构的石墨材料与导电剂的质量比为(5～10)：1。

技术总结
本发明提供了一种石墨烯重构的石墨材料，由少层石墨烯和/或少层改性石墨烯堆叠而成；所述少层石墨烯和/或少层改性石墨烯的表面富含褶皱，且具有莫尔条纹。与现有技术相比，本发明提供的石墨材料颗粒尺寸较小，小粒径的石墨比表面积更大，和电解液的接触更为充分，可均匀化电极的局部电流密度，减轻电极的极化；并且该石墨材料各石墨烯片层或改性石墨烯片层富含褶皱、石墨烯片层或改性石墨烯片层之间的堆叠无序、随机，层与层之间具有本征的错位角度，使该石墨材料作为锂离子电池负极材料使用，能够大幅优化锂离子电池高倍率下的循环性能。

技术研发人员：季恒星,金松,王锦熙
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15