[发明专利]一种多孔石墨烯制备方法及制成产物的应用

说明书

 

    技术领域：

本发明涉及一种石墨烯的制备方法，尤其涉及到一种多孔石墨烯及制备方法及其产物的应用。该方法可有效地设计石墨烯的三维结构，使其形成良好的电子与离子传输通道，是构建高性能锂离子电池负极材料的关键。

背景技术：

石墨烯 graphene 是碳原子紧密堆积成的单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有理想的二维晶体结构。理想的石墨烯其所有碳原子均暴露在表面，是真正的表面性固体，具有超大的比表面积 2630m²/g，同时具有独特的载流子特性和输送特性，是很有潜力的储能材料。在锂离子电池应用方面，石墨烯材料有其独特的优势：1）石墨烯具有优良的导电和导热特性，亦即，本身已具有了良好的电子传输通道，而良好的导热性能也确保了其在使用中的稳定性；2）聚集形成的宏观电极材料中，石墨烯片层的尺度在微纳米量级，远小于体相石墨，使得Li⁺在石墨烯片层之间的扩散路径较短；而且片层间距也大于结晶性良好的石墨，更有利于Li⁺的存储和扩散传输，非常有助于锂离子电池能量发挥和功率性能的提高。

近年来，已有一些单层或者薄层石墨，如：2～10层的多层石墨烯用作锂离子电池负极材料的研究报道。2008年，韩国的Yoo等首先报道了石墨烯作为锂离子电池负极材料的研究，其比容量可以达到540 mAh/g。如果在其中掺入C₆₀或碳纳米管后，负极的比容量分别可达到 784 mAh/g 和 730 mAh/g 。但经20个循环后，容量均有一定程度的衰减 [ EunJoo Yoo, Jedeok Kim, Eiji Hosono, et al. Nano Letters, 2008, 8, 2277-2282.]。究其原因，部分锂嵌入石墨烯层状结构后不能有效脱出，形成“死锂”，除了材料本身的结构缺陷之外，一个重要的原因是由于石墨烯材料垂直于平面方向电子不导电、Li传输路径不通畅所致；另外一个方面可能与石墨烯片层的排列方式没有优化有关，造成材料充放电循环过程中的自发堆叠。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术不足之处而提供一种多孔石墨烯制备方法。用该方法制成的产物具有结构新颖、大的比表面积、电化学储锂容量高、导电性好、循环性能好的特点。

本发明的另一个目的是提供按该种方法制成产物的应用，用制成的多孔石墨烯制作锂离子电池负极。

本发明的目的通过以下措施来实现：

一种多孔石墨烯制备方法，其特征在于，制备经过下列步骤：

（1）将石墨烯氧化物在去离子水中超声分散0.5-4 h；

（2）取一定质量的水溶性过渡金属盐溶解在去离子水中，在磁力搅拌器不断搅拌下，缓慢滴加到步骤（1）得到的石墨烯氧化物溶液中，然后搅拌2h；

（3）所得混合物离心分离，转速5000-15000 rpm、洗涤后提取产物，在温度60~110℃下干燥1~20h，或者进行真空干燥或者自然风干；

（4）将步骤（3）所得材料转入管式炉中，以1~20 ℃/min升温速率加热，惰性气体流速为10~300 mL/min，在500~1050℃恒温煅烧1~20 h，冷却后收集固体产物；

（5）用稀盐酸或稀硫酸处理固体产物，两者的体积比为1:10，除去其中的过渡金属氧化物，即得多孔石墨烯材料。

所述步骤（2）中的水溶性过渡金属盐为铁+2价或+3价、钴、镍、铜四种金属的硝酸盐、硫酸盐、氯化物中的一种。

所述步骤（2）中的水溶性过渡金属盐与石墨烯氧化物的摩尔比为1:1~1:5。

所述步骤（4）中惰性气体为N₂或Ar中的一种。

一种多孔石墨烯制备方法制成产物的应用，其特征在于，步骤如下：

（1） 按所述的多孔石墨烯制备方法制成产物多孔石黑烯；

（2）将上述材料与导电炭黑、聚四氟乙烯乳液按质量比85:10:5混合均匀，碾压在铜箔上面，制成厚度为0.1~2 mm的锂离子电池负极。