[发明专利]一种采用还原氧化石墨烯制备锂离子电池正负极材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于能源存储与转化技术领域，主要涉及一种采用还原氧化石墨烯制备锂离子电池正负极材料的方法。

背景技术

锂离子电池是近年来发展起来的一种新型化学电源，是世界各国争相研究和开发的热点，其具有体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、长循环寿命等特点，已被广泛应用于移动设备、电动汽车能源等领域。在锂离子电池的各部分组件中，电极材料是锂离子电池的核心和关键材料。电极材料的好坏直接决定了锂离子电池的比能量、循环寿命和抗负荷能力等多项关键性能。因此，开发出高性能锂离子电池及其电极材料，对锂离子电池性能的提升，尤其是动力型锂离子电池的开发意义重大。在正极材料方面，目前研究较多的正极材料主要有Li-Co-O  体系、Li-Ni-O体系、Li-Mn-O体系、三元材料和LiFePO₄等材料，虽然均得到了一定程度的发展和实际应用，但仍然存在实际比容量低（~160 mAh/g）、循环稳定性差、资源有限、价格昂贵以及较差的倍率性能等缺点。而目前商品化的锂离子电池大多采用钴酸锂/石墨体系，由于该体系材料本身较低的理论容量限制(石墨：372 mAh/g)，无法满足超轻薄移动电子产品高能量密度、高功率密度的要求，因此，研发新型高比容量、高功率密度、低成本、环境友好型的电极材料显得尤为必要。

石墨烯是由二维蜂窝状晶格紧密堆积组成的碳原子单原子层纳米材料，被认为是其他各维度碳材料的基本组成单位，具有良好的导热、导电、高强度以及优良的电化学稳定性等性能。石墨烯因其具有特殊的结构和性能，成为国际科学研究热点，这种单层碳原子厚度的二维碳材料具有高的理论比表面积（2630m²/g）和蜂窝状空穴结构，此外，材料本身的电子迁移率达15000cm²/（v·s），导热系数达到5300W／（m·K），良好的化学稳定性等优良的性质使石墨烯在导电薄膜、储锂器件、纳米传感器以及复合材料等领域有着良好的应用价值以及广阔的应用前景。其中石墨烯在锂离子电池中的应用也得到广泛关注，由于其高的理论比表面积和蜂窝状空穴结构，因而有较高的储锂能力。石墨烯以及基于石墨烯的复合材料等锂离子电池负极材料已被广泛研究。然而石墨烯负极材料循环过程中存在的团聚现象造成电极结构破坏，使其循环稳定变差；石墨烯复合的负极材料（Sn基、Si基等）尽管比容量较高，但是制备工艺复杂、成本较高，限制了其实际应用。

本发明于2014年申请了名称为“一种锂离子电池正极材料用功能化石墨烯的制备方法”的专利，当时主要解决的是对石墨烯的功能化改性及其用作锂离子电池新型正极材料的问题，但随着研究的不断深入，发现了更为广泛及简便的方法制备功能化石墨烯，并且可将其同时运用于正极和负极材料的问题。因此，在原有的基础之上进一步完成了本发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服目前锂离子电池正负极材料的缺陷和对石墨烯优良性能的开发和利用，本发明主要为锂离子电池提供一种具有优异电化学性能及成本低廉的可作为锂离子电池正极和负极的石墨烯电极材料。

本发明利用部分还原氧化石墨烯表面的含氧基团，作为与锂离子结合的活性点发生氧化还原反应，从而产生脱嵌锂效应，可作为正极材料；利用石墨烯特殊的结构性能和其表面含氧基团所提供的缺陷位，能显著提高其储锂能力，可作为负极材料。本发明所制备的还原氧化石墨烯作为锂离子电池的正负极材料均表现出优异的电化学性能。本发明的一大创新点为还原的氧化石墨烯能同时作为锂离子电池正负极材，并且均表现出优异的电化学性能。

本发明的制备机理是：

利用氧化还原法制备还原氧化石墨烯，利用强氧化剂如浓硫酸、高锰酸钾将天然石墨氧化，使其表面生成大量的含氧官能团，如羰基、环氧基、羟基和羧基，同时使其石墨层间距扩大，得到氧化石墨产物。由于大量含氧基团的存在，氧化石墨导电性较差，从而导致较差的电化学性能。本发明旨在将所制备的氧化石墨部分还原，去除大部分的含氧基团从而改善其导电性能，保留一部分含氧基团与锂离子发生氧化还原反应，作为脱嵌锂离子的活性位点，同时也提供缺陷位从而提高储锂容量。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种部分还原氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

（a）制备氧化石墨烯悬浮液：分别将一定量的氧化石墨分散在一定量的去离子水/有机溶剂中，利用超声波细胞粉碎仪超声10~120min,形成浓度为0.01~100mg/mL的氧化石墨烯悬浮液，然后将上述悬浮液在10000转/分钟的速率下离心2~600min,以去除可能的杂质。