[发明专利]一种高密度氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及能源材料领域，具体地，涉及一种高密度氮掺杂石墨烯及其 制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池由于具有高能量密度、高输出电压、良好的循环稳定性和环 境友好等优点，已经成为一种主流的商用电源被广泛地应用于各类电子产品 和电动汽车等领域。

近年来，随着新能源汽车、智能手机、平板电脑和智能家居等领域的技 术革命，对锂离子电池的能量密度(尤其是体积能量密度)提出了更高的要 求。

石墨烯是由sp²杂化的单层碳原子构成，具有二维蜂窝状平面结构。其 卓越的导电性、导热性，柔韧性，使其具有广泛的应用前景，受到了国内外 科研人员的密切关注与研究。近年来，以石墨烯为基础的电极材料被广泛应 用于各类能源存储与转化器件(包括燃料电池，锂离子电池，锂硫电池，超 级电容器等)，呈现出其良好的电化学性能。目前，有大量的研究报道了石 墨烯作为锂离子电池负极材料其质量比容量可以达到300～1000mAhg^-1，且 经过杂原子掺杂的手段(如氮原子，硼原子掺杂)可以进一步提升其质量比 容量至1043～1549mAhg^-1。然而，对于高体积比容量的石墨烯阴极材料鲜 有报道。其根本原因在于，通常人们得到的石墨烯材料具有低密度(<0.05g cm^-3)在本质上决定了其低的体积比容量。这就使得以石墨烯为基础的能源 器件与其他高密度电极材料为基础的能源器件在具有相同电量的情况下，不 得不具有更大的体积，从而限制了石墨烯材料的实际应用。

然而，目前商用的石墨负极质量比容量通常低于372mAh/g，体积比容 量通常低于409mAh/cm³，并不能满足日益更新的电子产品及电动汽车的需 求。

此外，消费类电子产品及电动汽车要求储能器件尽可能在一个相对有限 的空间释放能量，因此开发兼顾质量比容量和体积比容量的锂离子电极材料 显得尤为重要。

目前，提高石墨烯材料密度的方法主要有两类，第一类，制备石墨烯膜， 通过将氧化石墨烯溶液抽滤，然后采用化学还原，或热还原的方法得到紧密 堆积的石墨烯膜，从而提高整个材料的密度。然而，这种方法不可避免的导 致石墨烯片之间的相互堆积，很大程度上降低了石墨烯本身的比表面积，同 样阻碍了电解质离子的传输，采用这种方法通常导致得到的石墨烯膜电极具 有较低的比容量；第二类，制备褶皱的石墨烯团聚物，目前报道表明通过溶 剂热法以及控制石墨烯凝胶溶剂挥发法分别制备了不同类型的石墨烯团聚 物，从而有效的提高了石墨烯材料的密度。然而，密度高于1.0g/cm³的石墨 烯材料鲜有报道，且利用该方法尽管可以有效提升石墨烯材料的密度，但是 依然难以克服石墨烯片之间由于高度紧密堆积从而阻碍离子传输的缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种兼具高质量比容量及体 积比容量的高密度石墨烯的制备方法，通过该方法得到的高密度石墨烯及其 应用。

第一方面，本发明提供一种高密度氮掺杂石墨烯的制备方法，该方法包 括：

(1)在溶剂存在下，将氮源和氧化石墨烯进行接触；

(2)将经过步骤(1)得到的产物进行干燥；

(3)将经过步骤(2)干燥后得到的产物进行还原。

第二方面，本发明提供通过上述方法得到的高密度氮掺杂石墨烯。

第三方面，本发明提供前述高密度氮掺杂石墨烯在电池材料中的应用。

通过本发明方法得到的所述高密度氮掺杂石墨烯兼具高质量比容量及 体积比容量，而且，本发明提供的制备所述高密度氮掺杂石墨烯的方法简单， 适合工业化大生产。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1是实施例1得到的高密度氮掺杂石墨烯C1的扫描电子显微镜图。

图2是实施例1得到的高密度氮掺杂石墨烯C1的透射电子显微镜图。

图3是实施例1得到的高密度氮掺杂石墨烯C1的X射线光电子能谱图。

图4是实施例1得到的高密度氮掺杂石墨烯C1的倍率测试图。