[发明专利]一种石墨烯及其制备方法、在锂离子电池正极导电剂方面的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯及其制备方法、在锂离子电池正极导电剂方面的应用，属于石墨烯技术领域。

背景技术

石墨烯以其较大比表面积，优良的导电导热性能和较低的热膨胀系数而被认为是一种理想的材料，尤其是其导电性能好和比表面大的特点，加上其单分子层二维的纳米尺度的结构特点，非常适合于在超级电容器和锂离子电池中用作电极材料。

现有技术中制备石墨烯的方法有如下几种：微机械剥离法，这种方法只能产生数量极为有限的石墨烯片，难以产业化；超高真空石墨烯外延生长法，这种方法因为高成本以及产品的小圆片结构而限制了其应用；氧化-还原法，制备过程中需要将石墨氧化成氧化石墨，此方法合成的石墨烯较容易产生缺陷；化学气相沉积法(CVD)，此方法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但工艺复杂，产品一致性差，成本较高；溶剂剥离法，此方法缺点是产率很低，限制了商业应用；电解法，此方法可合成大量的石墨烯，但是合成出的石墨烯的表面均带有大量的正离子或负离子或有机物，难以完全去除，造成安全隐患。

综上所述，开发一种能实现大批量、低成本、工业化生产石墨烯的制备方法显得非常重要。申请公布号为CN103183331A的中国发明专利(申请公布日2013年7月3日)公开了一种石墨烯的制备方法，并具体公开了将金属锂和石墨放入电解质溶液中，使金属锂与石墨在电解质溶液中相互接触，使溶液中的锂离子与有机溶剂分子共同插入石墨层间，形成石墨插层化合物，充插层化合物中剥离出石墨烯片，该电解质溶液为电解质盐溶于有机溶剂形成，电解质盐为氯酸锂、硝酸锂、氯化锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂或三氟甲基磺酸锂，有机溶剂为碳酸丙烯酯、四氢呋喃、1,2二甲氧基乙烷等。该方法操作简单，成本较低，但是该方法中的插层反应和剥离反应的效率较低，制得的石墨烯纯度低，在用作锂离子电池材料时的内阻较大，会降低锂离子电池的循环性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纯度高、电化学性能好的石墨烯的制备方法。本发明的目的还在于提供一种上述方法制备的石墨烯，以及该石墨烯在锂离子电池正极材料方面的应用。

为了实现以上目的，本发明的石墨烯的制备方法的技术方案如下：

一种石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

1)将含有石墨片层结构的碳材料、电解质溶液、助剂及金属锂混合均匀，制得反应浆料；所述电解质溶液包括溶质和溶剂，所述溶质为锂盐、钠盐、镁盐、钙盐中的任意一种，所述溶剂为链状碳酸酯和/或环状碳酸酯；所述助剂为甲酸、乙酸、氯化铁、硝酸中的任意一种；所述含有石墨片层结构的碳材料、电解质溶液、助剂、金属锂的质量比为1-50:50-100:1:1-5；

2)对步骤1)得到的反应浆料进行扰动处理，进行石墨片层剥离，制得石墨烯原浆；

3)将步骤2)得到的石墨烯原浆在碳酸锂溶液中浸泡，然后清洗，干燥，即得。

本发明的石墨烯的制备方法所使用的反应物无腐蚀性、剥离反应较为温和，大批量生产时安全性高；该方法制得的产物杂质含量低，仅需要简单清洗即可得到纯度较高的石墨烯，反应所产生的废水少，环境污染小。本发明在制备反应浆料时添加助剂，而且本发明添加的助剂均为小分子，作为插层剂前导嵌入石墨层，形成插层化合物，促进插层反应进行。本发明采用碳酸锂对石墨烯进行清洗，能够在石墨烯表面补充锂离子，使制得的石墨烯在应用于锂离子电池正极材料添加剂时，能够降低锂离子在电池反应过程中的消耗，降低电池内阻和并提高循环性能。

步骤3)中使用的石墨烯原浆在浸泡之前进行除杂处理。该除杂处理为过滤除去溶液中的盐，同时也将残留的有机溶剂除去。

所述含有石墨片层结构的碳材料为含有石墨片层结构的无烟煤。

步骤2)中的扰动处理为超声搅拌或者离心搅拌。

为了进一步保证助剂对插层反应的促进，所述助剂优选为氯化铁。

所述链状碳酸酯为锂离子电池领域常用的链状碳酸酯，一般为碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯中的一种或几种。

所述环状碳酸酯为锂离子电池领域常用的环状碳酸酯，一般为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的一种或几种。

所述链状碳酸酯与环状碳酸酯的体积比为0.5-2:1。

步骤2)中的扰动处理的时间为1-10min。扰动处理的同时对反应浆料进行温度为50-300℃的保温处理。一般采用微波加热方式将反应浆料加热到上述温度，采用微波加热效率高，且不需要特别的高温，进一步提高了反应的安全性。

步骤3)中碳酸锂溶液的浓度为0.4-0.6mol/L。

本发明的石墨烯的技术方案：