[发明专利]一种直立石墨烯/纳米银复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种直立石墨烯/纳米银复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将氧化石墨烯溶液喷涂于基底上，形成水平石墨烯排列层；S2、将模板溶液和氧化石墨烯溶液同时喷涂在水平石墨烯排列层上，得到前驱体；S3、将前驱体材料进行热处理，然后清洗干燥，形成直立石墨烯阵列层，得到柱状直立石墨烯阵列材料；S4、将柱状直立石墨烯阵列材料浸渍于纳米银溶液中，然后干燥去除溶剂；S5、将浸渍了纳米银的柱状直立石墨烯阵列材料在惰性气氛中进行热处理，得到直立石墨烯/纳米银复合材料。本发明还公开了通过上述方法制备出的直立石墨烯/纳米银复合材料及其应用，应用包括以下两个方面：作为集流体材料的应用和在制备电池方面的应用。

技术领域

本发明涉及技术领域，具体涉及一种直立石墨烯/纳米银复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着可移动电子设备及电动汽车的高速发展，高能量密度的可充电电池体系收到研究工作者们广泛的关注和研究兴趣。在众多电池系统中，金属锂由于具有最低的还原电位(-3.04V，相比于标准氢电极)，极高的理论比容量(3860mAhg-1)及较低的密度(0.54gcm-3)，可以作为负极与高能量的正极材料(如硫正极、氧气正极及层状氧化物正极)匹配构建得到具有高质量能量密度的锂金属电池体系，因而被认为是最理想的电池体系。然而金属锂负极存在大量的问题阻碍了其实际应用及进一步商业化。例如由于金属锂的高反应活性及无限的体积变化带来的不稳定的电极/电解液界面状态，容易导致形成具有严重危害的锂枝晶，同时还降低了循环寿命及可逆性，并带来一定的安全隐患。

通过设计构建三维结构材料同时用于金属锂的载体及集流体，可以容纳金属锂的沉积及其体积膨胀/收缩，同时有益于降低局部电流密度，形成更均匀的沉积物，从而抑制锂枝晶的生长。同时，有研究表明，低的电极曲折度(即阵列结构)可以形成更均匀的离子分布，更有利于调节金属锂的沉积形貌；而高的电极曲折度容易导致金属锂沉积在表面，进一步阻碍离子的传输。然而，具有低曲折度和足够机械强度的电极载体一般具有较大的重量及复杂的生产工艺，不仅降低了电池整体的能量密度，同时也不适于实际应用生产。直立石墨烯阵列具有低的微观结构曲折度和较小的质量，是理想的直流体材料，但其通常通过化学气相沉积方法制备得到，制备工艺复杂且制备条件苛刻；再则，直立石墨烯排列过于紧凑，阵列间距较小，且垂直方向的尺寸生长受限。由于金属银和金属锂可以形成微观合金相，在电化学过程中，纳米银可以降低锂的成核过电位，从而诱导锂金属稳定成核、均匀沉积。

综上所述，开发一种简易、低成本、工艺可控的方法来制备具有高机械强度、低曲折度、大垂直尺寸的直立石墨烯阵列材料，并结合碳材料和金属银的各自特点，制备微观结构可控的纳米银/直立石墨烯复合材料，并将其应用于储能、热管理等领域，充分发挥纳米银/直立石墨烯复合材料的结构与性能优势，具有十分重要的意义。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种直立石墨烯/纳米银复合材料及其制备方法和应用，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种直立石墨烯/纳米银复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、配制浓度为0.1-5mg/mL的氧化石墨烯溶液，通过静电喷涂的方式将其喷涂于基底上，形成水平石墨烯排列层；

S2、配制浓度为1-30mg/mL的模板溶液，通过静电喷涂的方式将模板溶液和氧化石墨烯溶液同时喷涂在水平石墨烯排列层上，得到前驱体；

S3、将前驱体材料在惰性气氛中进行恒温热处理，热处理条件为温度150℃，时间1h；热处理后用水清洗，清除模板溶液，然后干燥，形成直立石墨烯阵列层，得到柱状直立石墨烯阵列材料；

S4、配制浓度为0.5-5mg/mL的纳米银溶液，将柱状直立石墨烯阵列材料浸渍于纳米银溶液中，取出后干燥去除纳米银溶液的溶剂，得到浸渍了纳米银的柱状直立石墨烯阵列材料；