[发明专利]双层石墨烯管及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了双层石墨烯及其制备方法和应用，双层石墨烯管包括外层管和内层管，内层管掺杂氮元素，外层管和内层管之间的距离为5～20纳米。该结构的双层石墨烯管具有优异的导电特性和力学性质以及丰富的孔隙结构，由于内层管为氮掺杂石墨烯管状，使得内层管显示为亲水性质，而未掺杂的外层管显示为疏水性质，从而可以将非碳活性物质负载在该双层石墨烯管的内部，将该复合物作为锂电池负极材料时，其中的双层石墨烯管为非碳活性物质在充放电过程中的体积膨胀提供有效的缓冲空间，即有效抑制负极材料中非碳活性物质在充放电过程中的体积膨胀问题，同时保证电极反应过程中快速的离子和电子传导通道，提升锂电池的质量比容量和体积比容量。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种双层石墨烯管及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池以其高的能量密度、优异的循环寿命等优势，逐渐被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车等领域，但是，随着新能源产业的逐步发展，市场对锂离子电池的要求也越来越高，而电池的体积能量密度作为衡量电池的重要指标，也成为限制锂离子电池发展的重要方面。作为电池的重要组成部分，电池的负极直接影响着锂离子电池的电化学性能。而现今已被广泛商业化应用的石墨类负极材料的理论比容量仅有372mAh/g，理论体积比容量仅为719mAh/cm³，因此，需要更高体积比容量的负极材料作为支撑。

在众多的可选负极材料中，非碳类材料如金属Sn及其氧化物、非金属Si及其氧化物等材料具有非常高的质量比容量及体积比容量，因此，在改善锂离子电池体积能量密度方面具有十分重要的作用。但是这一类材料在作为电极材料发生充放电的过程当中会发生严重的体积膨胀，例如，Si基负极材料的体积膨胀率可以达到300～400％，严重影响了其在锂离子电池中的大规模应用。

因此，现有的锂离子电池负极材料有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种双层石墨烯管及其制备方法和应用，该结构的双层石墨烯管负载上非碳活性物质作为锂电池负极材料时，其中的双层石墨烯管为非碳物质在充放电过程中的体积膨胀提供有效的缓冲空间，即有效抑制负极材料中非碳活性物质在充放电过程中的体积膨胀问题，同时保证电极反应过程中快速的离子和电子传导通道，提升锂电池的质量比容量和体积比容量。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种双层石墨烯管。根据本发明的实施例，所述双层石墨烯管包括外层管和内层管，所述内层管掺杂氮元素，所述外层管和所述内层管之间的距离为5～20纳米。发明人发现，该结构的双层石墨烯管具有优异的导电特性和力学性质以及丰富的孔隙结构，可以作为高体积比容量负极活性物质的结构载体，并且由于内层管为氮掺杂石墨烯管状，使得内层管显示为亲水性质，而外层管为非掺杂石墨烯管状，其显示为疏水性质，从而可以将非碳活性物质负载在该双层石墨烯管的外层管和内层管之间，将该复合物作为锂电池负极材料时，其中的双层石墨烯管为非碳物质在充放电过程中的体积膨胀提供有效的缓冲空间，即有效抑制负极材料中非碳活性物质在充放电过程中的体积膨胀问题，同时保证电极反应过程中快速的离子和电子传导通道，提升锂电池的质量比容量和体积比容量。

在本发明的一些实施例中，所述双层石墨烯管直径为100～2000纳米，长度为5～50微米。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述双层石墨烯管的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)将镁盐溶液和尿素溶液进行混合，以便得到混合液；

(2)将所述混合液在水热釜中进行水热反应，然后抽滤、干燥、煅烧，以便得到MgO模板；

(3)将所述MgO模板置于高温反应器中持续升温，同时通入第一气体，达到第一预定温度后，向所述高温反应器中通入第二气体；

(4)将步骤(3)得到的反应产物分散于含有镁盐溶液和尿素溶液的混合液中，然后在第二预定温度下反应；