[发明专利]一种三维石墨烯锂离子电池超快充负极材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种三维石墨烯锂离子电池超快充负极材料的制备方法及应用，其制备方法包括以下步骤：以金属钠、金属钾或者金属钠与金属钾的混合物与二氧化碳和含氮气体的混合气在高温条件下发生反应，将得到的产物粉碎后进行水或酸浸泡、过滤、洗涤、干燥即得到三维石墨烯锂离子电池超快充负极材料产物。本发明得到的三维石墨烯锂离子电池超快充负极材料应用于锂离子电池后具有优异的快速充放电容量高、循环寿命超长。在0.2C(0.074A/g)小电流密度下容量为975mAh/g，在150C(55.8A/g)超大电流密度下容量大于200mAh/g，50C(18.6A/g)大电流密度下循环10000次容量大于250mAh/g，容量保持率大于90％。本发明提供的三维石墨烯锂离子电池超快充负极材料的制备方法，操作简单，步骤少，成本低，绿色无污染，易于工业化生产。

所属技术领域

本发明涉及一种锂离子二次电池材料技术领域，尤其是涉及一种三维石墨烯锂离子电池超快充负极材料。

背景技术

随着全球化石燃料储量的不断减少和环境逐步恶化的影响。近几十年来国内外大量的研究人员投入越来越多的精力开发清洁的可再生能源，如利用风能、太阳能转化为电能。化学电源由于具有稳定性和高效性，常常被用来作新能源的存储装置,已成为当今世界新能源领域的开发热点。锂离子电池自从问世以来，在多个领域得到了广泛的应用，不但普遍应用在手机、数码相机、平板电脑等电子产品中，在电动汽车、无人机、智能机器人等领域的应用也取得了一定的突破。目前，商业化锂离子电池通常至少需要1-2小时才能完成充电，这主要受限于正负极材料中电子和离子的动力学传输速率。高性能快充锂离子电池最好能承受10C以上的充电电流，这样就能保证在6分钟内完成充电。电动汽车如果几分钟就可以恢复最大续航里程，便可以更好地替代传统燃油车；手机迅速充满，不用为了电量而焦虑。不仅如此，储能器件实现能量的快速储存能够极大地帮助新能源的消纳，尤其是应对间隙性和波动性的问题，快速储能设备可在电网中承担更多的复杂服务功能。它的快速响应使其能够参与电网的智能调节，带来综合收益，成为电网智能化、建设能源互联网的重要组成部分。可以预见，超快充放锂离子电池将在电动汽车、启停电源、能量回收、无线充电、电网消纳、智能电子设备等众多领域具有革命性的应用。

锂离子电池一般采用石墨作为负极材料，锂在石墨内部的固相扩散系数相对较小(通常情况下只有约为10^-10cm².s^-1)，并且其表面对于电解液较为敏感，锂的嵌入反应带有强的方向性，这使锂在石墨内部的固相扩散容易成为整个电极反应的控制步骤。快充大电流带来的过高电位会导致负极电位更负，此时负极迅速接纳锂的压力会变大，生成锂枝晶的倾向会变大，因此传统的石墨负极难以在快速充放电过程中满足锂扩散的动力学要求和锂枝晶生成带来的安全性问题。

石墨烯是由单层碳原子六方键合而成的理想二维晶体，其中每个碳原子以sp²杂化轨道与相邻的三个碳原子通过σ键相连接，使石墨烯骨架具有很好的结构稳定性。此外，上述碳原子其余的p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围的原子形成超大的离域π键，π电子在晶格中的离域化使石墨烯拥有很好的载流子传导和热传输性能。Li⁺在石墨烯片层之间的扩散路径较短，迁移率为10^–7～10^–6S·cm^–1有利于锂离子电池功率性能的提高。但是，石墨烯在锂离子电池中的大规模应用仍然面临着许多挑战，首先是工业上难以大量低成本地合成石墨烯，且其制备过程中容易出现片层堆积、团聚等问题。其次由于石墨烯大比表面积和丰富的官能团，循环过程中电解质会在石墨烯表面发生分解，形成SEI膜；同时，在循环过程中碳材料表面残余的含氧基团与锂离子发生不可逆副反应，造成可逆容量的进一步下降。为了有效解决这些问题,研究者们把注意力转向了三维(3D)石墨烯。3D石墨烯结构是二维石墨烯片的3D结构组装体，具有一定的自支撑结构，不仅有效地避免了石墨稀片层之间严重的团聚和堆叠现象，而且形成了一定的多孔结构和导电网络结构，使其在许多应用方面的性能都得到了提高，是目前解决二维石墨烯实际应用瓶颈的关键技术。