[发明专利]一种石墨烯锂离子电池负极复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种石墨烯锂离子电池负极复合材料及其制备方法，所述材料包括：二维石墨烯纳米片、高分子基体材料、分散剂和导电添加剂；所述二维石墨烯纳米片的质量分数为所述石墨烯锂离子电池负极复合材料的75‑90％，并通过静态磁场作用于石墨烯纳米片实现其定向排列。本发明的石墨烯锂离子电池负极复合材料制备方法实现了石墨烯纳米片的定向排列，可构建快速的锂离子传输通道，增大石墨烯纳米片之间的距离，充分地发挥其高比表面积，所得的复合材料的性能远高于其他石墨烯混合材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，尤其涉及一种石墨烯锂离子电池负极复合材料及其制备方法。

背景技术

随着化石燃料的枯竭和其带来的污染，人们逐渐意识到发展新能源的重要性。特别地，新能源汽车的普及能够有效地避免燃油汽车带来的污染。锂离子电池具有较高的能量和功率密度，有望成为可再生能源工厂的理想电化学储能系统，以及混合动力车和电动汽车的动力系统。理想的锂离子负极必须具有优异的比容量、循环稳定性、高倍率性能。尽管石墨被普遍用于商业的锂离子负极材料，它还是具有很多的局限性。在较大的电流负载情况下，其比容量迅速下降。而且石墨的理论容量仅仅372mAh g^-1。随着电子设备的不断发展，尤其是新能源的蓬勃发展，迫切需求高容量、循环寿命长、稳定的储能装置。石墨烯具有高电导率、高导热率和高比面积，被广泛应用于储能设备的电极材料。然而，石墨烯片之间团聚并无序的堆叠在一起，使其失去了电化学比表面积，限制了石墨烯在电极方面的应用。当二维石墨烯片以宏观有序的排列时不仅能够充分利用单个纳米石墨烯片性能，而且此3D结构有利于锂离子的快速传输。因此，开发出三维有序的石墨烯结构电极显得尤为重要。

石墨烯是由一种由碳原子以sp2杂化组成二维纳米材料。单层石墨烯表现出优异的导电性能、导热性能、载流子迁移率和高比表面积，可作为理想的锂离子负极材料，其理论容量高达2000mAh/g，且层间距明显大于石墨的层间距，更有利于锂离子的快速嵌入和嵌出。有研究表明使用石墨烯作为电池的负极材料，其中充放电速率将超过锂离子蓄电池的10倍。然而，将石墨烯作为电池的负极也带来一些新的技术问题：石墨烯的制造方法有很多，现有最主流的是氧化还原方法和气相沉积法：氧化还原法具有制造成本低，可以大规模制备的优点，但是石墨烯的纯度也很低，所得的石墨烯粉往往含有大量含氧官能团，从而很大程度上降低了其作为锂离子负极的性能；气相沉积制备的石墨烯质量虽然高，但是制造设备复杂，石墨烯的制造成本昂贵等特点。中国发明专利CN107742746A公开了一种通过辅助等离子化学气相沉积技术在集流体表面制备厚度为的石墨烯，所得石墨烯锂离子负极具有优异的倍率性能和高比容量。但是由于上述方法所得石墨烯锂离子负极是无序三维结构，这种无序的三维结构阻碍了锂离子的运输，所以它的比容量和充放电效率只有非常微小的提升。而且此种方法制备的石墨烯锂离子负极厚度非常有限，并不适合大规模生产，只适合于实验室的理论研究，其实用价值非常有限。

为解决上述问题，专利CN109935793B公开了一种石墨烯复合锂离子电池负极材料及制备方法：通过包裹、粘结、石墨化制得的二次石墨烯颗粒；由于内核为石墨，容量高，倍率性能好，外部为复合人造石墨后，使容量高，充放电性能好，并且颗粒表面朝各个方向排列，具有高的各项同性的特点，同时二次颗粒结构增加了石墨内部空隙。这种三维结构构建了锂离子的快速传输通道，使得锂离子可以朝着几个方向运动，形成更多的锂离子迁移通道，而且迁移路径更短，提升了石墨烯的大电流充放电性能。专利CN112010343A公开了一种金属氧化物@定向排列石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法：通过制备氧化石墨烯水溶液，然后配制石墨烯与稀释盐溶液与柠檬酸的分散液，然后在液氮中冷冻，在高温下退火处理，最终得到三维网状石墨烯负极。经测试在5A/g的电流密度下，充放电容量大概为400mAh/g。虽然此种方法得到了较高的重量比容量，但是此种方法所得石墨烯金属氧化物锂离子负极在冰模板的作用下形成，会导致其体容量密度非常的低，循环寿命也不高。因此开发高重量比容量、高体积比容量、高倍率性能锂离子电池负极材料依然是亟需解决的技术问题之一。

发明内容