[发明专利]一种石墨烯纳米条带材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯纳米条带材料及其制备方法与应用。所述的制备方法包括：采用Hummers方法对碳纳米管进行纵向氧化剥离，形成氧化石墨烯纳米条带溶液；对氧化石墨烯纳米条带溶液进行定向冷冻干燥处理，获得结构有序的絮状氧化石墨烯纳米条带材料。本发明工艺简单，所获石墨烯纳米条带材料具有三维多孔结构、较大的比表面积及大量有利于储锂的含氧官能团，由此材料制备得到的锂离子电池负极具有高比容量(500‑650mAh/g)、优越的电化学性能及良好的倍率性能，是一种性能理想的电池负极材料。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料及其制备工艺，特别涉及一种石墨烯纳米条带材料、其制备方法以及其在锂离子电池负极材料、锂离子电池中的应用，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

人类社会发展日新月异，能源需求日益增加的同时，煤、石油、天然气等不可再生能源的储存量急剧减少，寻找新型可再生清洁能源成为当务之急，锂离子电池由于其优越的性能脱颖而出成为比能量和效率最高的二次电池类型。1990年Tazawa等人开始采用碳材料做负极，锂与过渡金属的化合物作为正极制备出了锂离子电池。碳材料作为锂离子电池负极材料具有脱嵌锂过程中结构变化较小、电极电位较低、平台稳定、导电性优越、成本低廉、来源丰富、无毒无害等优点，因此直到现在，碳类材料仍是最常用的锂离子电池负极材料，主要包括石墨类、无定形碳类、碳纤维材料等，然而传统碳材料的比容量较低，大约在376mAh/g左右，在能量密度方面无法满足要求。

2004年，英国科学家Geim和Novoselov首次从石墨中成功剥离出了二维碳材料石墨烯，与块状石墨不同，它是由sp²杂化碳组成的六方晶格紧密排列而成的二维平面单分子层晶体材料。石墨烯作为新兴的二维碳材料，具有巨大的比表面积和优异的电学、热学及力学性能，有望在锂离子电池负极材料方面取得重要的应用。Boehm等选用石墨作为锂离子电池负极，测得电池容量372mAh/g[Carbon,I975(13):337-345]，Zhao等制备出石墨烯纳米片作为锂离子电池负极，材料容量达到794-1054mA h/g[Chem.Mater.2009,21,3136-3142],远高于传统碳材料。然而，由于锂离子纵向穿越石墨烯的扩散势垒高达9eV[ACSAppl.Mater.Interfaces 2012,4,2432-2438]，因此石墨烯材料巨大的比表面积反而阻碍了充放电过程中的锂离子传输。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种石墨烯纳米条带材料及其制备方法与应用，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种石墨烯纳米条带材料的制备方法，其包括：

采用Hummers方法对碳纳米管进行纵向氧化剥离，形成氧化石墨烯纳米条带溶液；

对所述氧化石墨烯纳米条带溶液进行定向冷冻干燥处理，获得结构有序的絮状氧化石墨烯纳米条带材料。

在一些实施例中，所述制备方法包括：使包含碳纳米管、浓硫酸、磷酸、氧化剂的混合反应体系于60～80℃反应1～3h，形成氧化石墨烯纳米条带溶液。

进一步地，所述制备方法具体包括：将碳纳米管加入浓硫酸中搅拌1～3h，之后依次加入磷酸、氧化剂，形成所述混合反应体系。

进一步地，所述碳纳米管、浓硫酸、磷酸、氧化剂的质量体积比为1g：150～500mL：10～56mL：2～10g。

进一步地，所述制备方法还包括：反应结束后，将所述混合反应体系与浓度为0.5～1wt％的过氧化氢溶液混合，并对所获沉淀进行离心清洗，之后透析8～15天，形成均匀氧化石墨烯纳米条带溶液。

进一步地，所述定向冷冻干燥包括：：将所述氧化石墨烯纳米条带溶液在垂直方向上以1～100mm/min的速度浸入冷却介质中2h以上，之后于5℃以下冷冻干燥5～15天。