[发明专利]一种石墨纳米片及其制备方法和用途

说明书

本申请公开了一种石墨纳米片及其制备方法和用途。该石墨纳米片的制备方法包括：在溶剂中加入石墨，采用射流空化法对溶剂中的石墨进行剥离得到石墨纳米片溶液，将石墨纳米片溶液中的石墨纳米片分离出来并干燥，得到石墨纳米片。该石墨纳米片可用作锂离子电池导电剂，能够大幅度提升锂离子电池电极材料颗粒之间的导电性，在电极中形成了良好的三维导电网络，提高锂离子电池的循环比容量和倍率性能。

技术领域

本申请涉及但不限于电化学领域，具体地，涉及但不限于一种石墨纳米片及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、使用方便、循环寿命长等优点，广泛用于便携式电子设备、电动工具、混合/全电动汽车等领域。随着可移动电子和通讯设备的迅速发展，二次电池的需求更为迫切，且越来越倾向于向密集型、薄型、小型、轻型和高能量密度的电池发展。锂离子电池正极材料包括磷酸铁锂、三元材料、钴酸锂、锰酸锂、钛酸锂等。正极材料在锂离子电池构成中占有很大比例，其性能直接影响锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本的高低。

目前正极材料存在一些缺点，例如导电性差、锂离子扩散速率慢等，这导致了锂离子电池正极材料的大倍率充放电比容量较低。目前对锂离子电池正极材料进行改善的方法主要为碳材料包覆和金属离子掺杂，如水热法包覆、高温碳化包覆，溶胶凝胶法合成等，能够改善正极材料的倍率性能，但均存在成本较高、工艺复杂等问题。

导电剂的使用能够克服电极材料导电性差的问题。目前市场上采用的导电剂大多数为零维材料导电炭黑、一维材料碳纳米管和二维材料石墨烯。导电炭黑和碳纳米管分别为点状和线状材料，与活性物质接触面积小，导电效率较低。二维材料石墨烯与活性物质点对面接触，导电效率相对较高。然而目前用于锂离子电池导电剂中的石墨烯主要为还原氧化石墨烯。还原氧化方法生产的石墨烯成本高，对环境不友好，且还原氧化石墨烯的缺陷较多，导电性较差。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

针对现有锂离子电池电极材料导电性差的问题，本申请的发明人通过多年悉心研究，根据流体动力学原理，发现通过微射流和空化作用，使石墨片层剥离，能够制备出导电性好、缺陷少的石墨纳米片。

流体动力学法是一种物理制备石墨纳米片的方法，得到的石墨纳米片缺陷较少、有良好的导电性，可以应用于对导电性要求较高的场合，例如锂离子电池导电剂等。本申请的发明人通过大量研究发现，采用物理剥离法尤其是射流空化法制备得到的石墨纳米片能够用作锂离子电池电极材料的导电剂，使电极材料表现出优异的倍率性能，极大地提高了循环比容量。

本申请提供了一种石墨纳米片的制备方法，包括：在溶剂中加入石墨，采用射流空化法对溶剂中的石墨进行剥离得到石墨纳米片溶液，将石墨纳米片溶液中的石墨纳米片分离出来并干燥，得到石墨纳米片。

在一些实施方式中，采用射流空化法对石墨进行剥离的时间不超过10小时，压强不超过100MPa。

在一些实施方式中，在加入石墨后的溶剂中，石墨的浓度不超过20mg/mL。

在一些实施方式中，石墨可以选自天然鳞片石墨、天然微晶石墨、人工合成石墨、插层改性石墨中的任意一种或更多种。

在一些实施方式中，溶剂可以选自如下之一：(a)有机溶剂；(b)水和有机溶剂的混合溶剂；(c)水和表面改性剂的混合溶剂；(d)水、有机溶剂和表面改性剂的混合溶剂。

在一些实施方式中，有机溶剂可以选自乙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、N-乙基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、环己酮、环戊酮、乙烯基吡咯烷酮、苯甲酸苄酯、溴苯、N-甲酰基哌啶、N,N-二甲基丙烯基脲、异丙醇和二甲基亚砜中的任意一种或更多种。

在一些实施方式中，表面改性剂可以选自阴离子表面改性剂、阳离子表面改性剂、两性离子表面改性剂和高分子表面改性剂中的任意一种。