[发明专利]一种功能化改性氧化石墨烯、制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种功能化改性氧化石墨烯、制备方法与应用，涉及锂离子电池技术领域，制备方法包括以下步骤：将氧化石墨烯分散在水中，得到第一溶液，将小分子物质分散在乙醇中，得到第二溶液，混合所述第一溶液与第二溶液，超声分散，分散液加热，然后冷冻干燥，得到功能化改性氧化石墨烯，作为粘结剂制备石墨烯复合硅负极材料，使其同时具备力学支撑网络和导电导离子传输网络的多重协同功能，可望取代高分子粘结剂、甚至替代铜箔集流体的作用，为开拓石墨烯在电池中的应用提供新方法。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种功能化改性氧化石墨烯、制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池(LIB)具有重量轻，能量密度高等优异特征，是新能源领域研究热点并已在许多便携式电子设备中应用，但在长续航电动汽车和大型储能系统等应用领域，能量密度目前还远远达不到市场需求。硅(Si)负极因其丰富储备、高的理论比容量(4200mAh·g^-1，Li_4.4Si)和低的对锂电压(≈0.4V vs Li/Li⁺)成为新一代高能量密度动力电池负极的首位候选。但硅的低电导率和在嵌脱锂过程中硅颗粒巨大的体积变化，带来循环过程中电极结构破坏、导电网络不稳定以及硅表面生成不断增厚固体电解质中间相(SEI)层等一系列问题，从而导致电池快速失效，这是硅负极走向实际应用的瓶颈难题。

目前解决硅负极上述问题的主要策略有活性材料纳米化、电极复合结构设计、新型粘结剂、导电剂或电解液的开发等。其中针对上述失效机理和服役特点，开发适配硅负极的这几种添加剂是当下亟需解决的重要问题。目前，新型粘结剂的开发主要着眼于选择合适的高分子材料，比如聚丙烯酸、羧甲基纤维素、海藻酸钠等材料及多相共混交联体系等。通过设计粘结剂体系的三维结构或化学键合作用为硅颗粒在循环过程中提供稳定的力学支撑网络。但常见的高分子粘结剂，存在导电导离子能力不足以及一维材料活性位点有限等问题。

新型导电剂的设计，除了传统的导电炭黑外，石墨烯和碳纳米管也吸引了越来越多的关注。石墨烯因其特有的二维结构，表现出优异的强韧性、高导电导热性能以及可功能化修饰等特殊能力，赋予其在电极材料特别是构筑导电网络这一应用上的巨大潜力。但简单混合体系中，硅颗粒与石墨烯片层之间结合力弱，使得硅颗粒在体积变化过程中易发生不可逆滑移，破坏电极结构稳定性，大大抑制了石墨烯在硅负极中的改性效果。其次，锂离子在石墨烯垂直片层方向易发生位阻效应，阻碍了锂离子在电极内部的快速传导，显著影响电极的电化学性能。此外，石墨烯在电极浆料制备过程中容易发生片层堆叠，进一步抑制了其在电极改性应用中的效果，导致了目前石墨烯在锂离子电池应用中高成本、弱效果的现状。

发明内容

本发明旨在通过简单的方法对氧化石墨烯(GO)进行有针对性的功能化修饰改性，一方面帮助氧化石墨烯片层分散，另一方面使其同时具备力学支撑网络和导电导离子传输网络的多重功能，从而替代高分子粘结剂、甚至将来取代铜箔集流体的作用，制备高性能一体化硅负极。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种功能化改性氧化石墨烯的制备方法，包括以下步骤：

将氧化石墨烯(GO)分散在水中，得到第一溶液，将苯环上至少含有两个取代基的有机小分子物质分散在乙醇中，得到第二溶液，混合所述第一溶液与第二溶液，超声分散，分散液加热，然后冷冻干燥，得到功能化改性氧化石墨烯(FGO)。

进一步地，所述氧化石墨烯与所述有机小分子物质的质量比为1：(4～10)。

进一步地，所述有机小分子物质包括对氨基苯磺酸(SA)或3-氨基苯硼酸。

进一步地，所述加热温度为90～100℃，加热时间为6～8h。