[发明专利]金属氧化物/石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池用复合材料领域，具体涉及一种金属氧化物/石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、安全性能好等优点、因此在数码相机、移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品中得到广泛应用，对于电动自行车和电动汽车也具有应用前景。目前商品化的锂离子电池一般采用碳基负极材料，这种材料虽然稳定性较高，但理论容量仅有372mAh·g^-1。

与碳材料相比，某些金属氧化物具有较高的理论容量，如SnO的理论容量高达870mAh·g^-1。这类金属氧化物有一个共性：所含的金属可以和金属锂发生可逆的合金化和褪合金化反应，该反应提供可逆容量，而形成的Li₂O作为基体，不再发生分解，其反应过程可以写成：

M_xO_y+(nx+2y)Li→x Li_nM+y Li₂O

虽然该反应可提供较高的容量，但由于合金化及褪合金化过程中体积变化较大，引起容量的迅速衰减。目前，有效减缓容量快速衰减的方法一般是将金属氧化物与其它基体材料进行复合，较理想的基体材料是碳材料。在各种碳材料中，石墨烯因为其高的电导率、高的机械强度、大的比表面积剂及孔隙率，是非常理想的基体材料。

发明内容

本发明提供了一种电化学稳定性和循环稳定性良好的金属氧化物/石墨烯复合材料。

本发明提供了一种金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法，该方法工艺简单，能耗低、成本低，适合于大规模工业化生产。

本发明发现将金属氧化物和石墨烯复合，可用来提高金属氧化物的电化学性能，特别是循环稳定性。

一种金属氧化物/石墨烯复合材料，由纳米级金属氧化物和石墨烯(G)组成，所述的金属氧化物为IIIA族金属的氧化物、IVA族金属的氧化物或VA族金属的氧化物。

所述的金属氧化物可选用Bi₂O₃、Sb₂O₃、Sb₂O₅、In₂O₃、SnO、SnO₂、PbO或Pb₃O₄。

为了进一步提高复合材料的应用性能，所述的复合材料中石墨烯的重量百分含量优选为0.5％～10％。

所述的金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将含IIIA族金属、IVA族金属或VA族金属的化合物溶于去离子水或有机溶剂中，得到浓度为0.01mol/L～0.1mol/L的溶液，再加入氧化石墨烯(GO)，得到混合溶液；

所述的GO的加入量为金属氧化物理论重量的1％～20％；

2)将步骤1)的混合溶液中加入还原剂水合肼，每毫克GO添加水合肼1μL～10μL，再加入碱性调节剂将pH值调至8～12，然后升温至100℃～250℃，反应4小时～48小时后冷却至室温，收集固体产物，经去离子水和无水乙醇交替反复洗涤，干燥，得到金属氧化物/石墨烯复合材料。

为了达到更好的发明效果，优选：

在步骤1)的混合液中加入表面活性剂，所述的表面活性剂的摩尔数与过渡金属氧化物的理论摩尔数之比为0～2∶1。

所述的表面活性剂是十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基磺酸钠(SDS)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。当所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮时，其摩尔数以N-乙烯基吡咯烷酮单体的分子量换算。

所述的含IIIA族金属、IVA族金属或VA族金属的化合物为氯化物、硝酸盐、硫酸盐、草酸盐或醋酸盐。所述的IIIA族金属为In；所述的IVA族金属为Sn或Pb；所述的VA族金属为Bi或Sb。

所述的有机溶剂是乙醇、甲醇、乙二醇、1-丁醇、N，N-二甲基甲酰胺、吡啶、乙二胺、苯或甲苯。

所述的碱性调节剂是氨水、氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液。

所述的金属氧化物/石墨烯复合材料可用作锂离子负极材料。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明采用一步法在低温制备金属氧化物/石墨烯复合材料，具有工艺简单、成本低、周期短、能耗低等优点，适合大规模工业化生产。