[发明专利]一种三维高密度的金属纳米颗粒/石墨烯多孔复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种三维高密度的金属纳米颗粒/石墨烯多孔复合材料及其制备方法和应用。该多孔复合材料是将氢氧化钾加入氧化石墨烯水溶液中，干燥后在700～1000℃下反应，经洗涤、烘干处理后得多孔石墨烯；将多孔石墨烯研磨成粉末分散到含有金属盐的有机溶剂中，加入去离子水搅拌，在100～140℃下进行水热反应，经抽滤、洗涤、烘干处理后，再加入去离子水，搅拌后加入氧化石墨烯水溶液，在160～200℃下进行水热反应，置于室温下皱缩干燥，在还原性气氛下，150～300℃进行热处后制得。本发明的复合材料中金属纳米颗粒平均粒径为2～4nm且均匀负载于石墨烯表面，具有高密度和自支撑结构，密度达2.0g/cm³以上。

技术领域

本发明属于石墨烯复合纳米材料技术领域，更具体地，涉及一种三维高密度的金属纳米颗粒/石墨烯多孔复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，储能材料及器件的体积能量密度有待于进一步的提高，实现致密化储能已经成为当今研究的热点。较低的密度意味着在限定的空间内活性物质质量较小，从而导致电极材料和储能体系的体积能量密度不高，因此，想要实现致密化储能，提高电极空间利用率是重中之重。而高密度电极材料可在小体积材料中具有高能量，可满足人们越来越高的储能要求，推动未来储能行业的迅速发展。

石墨烯具有二维柔性片层的特性，常作为电极材料进行致密化设计，众多研究者也成功研制出了石墨烯相关的高体积能量密度储能材料。而石墨烯水凝胶材料既具备良好的导电性，又具有三维网状结构，利于锂/钠离子及电荷在充放电过程中的传输，缩短了离子传输距离和时间，并可为金属氧化物颗粒的体积膨胀提供更大的缓冲空间，维持电极结构的稳定性；而且具有高比表面积，有利于电解液对电极充分浸润。因此，石墨烯是一种适用于大电流充放电的锂/钠离子电池负极材料。此外，传统粉末材料需经添加粘结剂、导电剂，制备出浆料并均匀涂布才能得到电极极片，充放电过程中电阻大，能量密度低，且易发生脱落、粉碎等现象，造成容量衰减严重，倍率性能低；而水凝胶经切片后可直接用作电极极片，无需添加任何粘结剂和导电剂，方法简单可规模化，充放电过程中电阻小，能量密度高，可实现高循环性能、高倍率性能和高库伦效率。

具有高功率密度及良好循环稳定性的下一代锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(SIBs)，满足未来高端通讯设备和电动汽车应用需求，是当今众多科研学者的研究热点。由于目前商用锂/钠离子电池负极材料——石墨，具有较低的理论比容量(锂离子电池为372mAh/g，钠离子电池50mAh/g)，导致其能量密度无法满足社会越来越大的需求。因而，发展一种更高能量密度且具有长稳定性的锂/钠离子电池负极材料迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种三维高密度的金属纳米颗粒/石墨烯多孔复合材料。该三维高密度的金属纳米颗粒/石墨烯多孔复合材料保持了较小的纳米颗粒尺寸，使金属氧化物原位生长均匀负载在多孔石墨烯上，且大小均一，平均尺寸为2～4nm，且具有密度超过2.0g/cm³的高密度和自支撑结构，可不加粘结剂和导电剂，切片后直接作为锂离子电池或钠离子电池的电极，可实现锂离子电池或钠离子电池高体积容量、高循环稳定性、高倍率性能和高体积能量密度等优异的电化学性能。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的三维高密度的金属纳米颗粒/石墨烯多孔复合材料的制备方法。该方法先通过对氧化石墨烯进行KOH活化处理形成多孔石墨烯；再将多孔石墨烯分散于含有金属盐的有机溶剂中，分散均匀后经低温水热反应形成金属氧化物纳米颗粒均匀负载于多孔石墨烯上；再引入少量氧化石墨烯，通过二次高温水热反应制备出金属氧化物/石墨烯水凝胶多孔复合材料；最后经自然皱缩干燥及微波快速热还原处理后，制备出三维高密度的金属纳米颗粒/石墨烯多孔复合材料。

本发明的再一目的在于提供上述三维高密度的金属纳米颗粒/石墨烯多孔复合材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：