[發明專利]一種氧化石墨烯衍生物鋰鹽及其制備方法和用途

有效

• 申請號: 201110364651.5
• 申請日: 2011-11-17
• 公開（公告）號: CN103117390A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 周明杰;王要兵
• 申請（專利權）人: 海洋王照明科技股份有限公司;深圳市海洋王照明技術有限公司
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;熊永強

技術領域

本發明涉及電化學領域，尤其涉及一種氧化石墨烯衍生物鋰鹽及其制備方法和用途。

背景技術

隨著各種新能源的發展，便攜式電子設備的小型化發展及電動汽車對大容量高功率化學電源的廣泛需求。一種新型的具有高倍率充放電性能的電池材料的研發變得極其重要。

目前商品化的鋰離子電池大多采用無機正極/石墨體系，其中這些正極材料主要是磷酸鐵鋰，錳酸鋰，鈷酸鋰，鎳酸鋰以及混合的體系。但這類體系存在本身容量較低(如磷酸鐵鋰的理論容量為170mAh/g)，充放電時間長，制備工藝復雜，成本高等諸多缺點。

且常規的鋰離子電極材料像磷酸鐵鋰、鈷酸鋰是將鋰存儲于正極材料的體相中，這樣一來，此類電池在工作過程中，鋰離子需要從材料表面擴散到材料內部，從而充放電時間較長。

石墨烯是目前已知的最薄的一種材料，具有極強導電性，超高強度和超大比表面積。將石墨烯通過衍生化，作為鋰電池的正極材料，可提高電池的容量。

發明內容

為解決上述問題，本發明旨在提供一種氧化石墨烯衍生物鋰鹽及其制備方法和用途。本發明提供的一種氧化石墨烯衍生物鋰鹽，具備良好的導電性和較高的機械性能，有較好的功率密度以及較高的容量，可用做鋰離子電池正極材料。本發明提供的制備方法工藝流程簡單，反應時間短。

第一方面，本發明提供了一種氧化石墨烯衍生物鋰鹽的制備方法，包括以下步驟：

(1)取石墨粉末，通過化學氧化法制得氧化石墨，隨后進行超聲分散制得氧化石墨烯；

(2)將所述氧化石墨烯于100～800℃的溫度下，在保護性氣體氛圍中熱處理10分鐘～10小時，制得石墨烯；

(3)將熱處理后所得石墨烯與鋰鹽混合，攪拌反應后，干燥，得到氧化石墨烯衍生物鋰鹽。

本發明步驟(1)為石墨粉末通過化學氧化法制得氧化石墨，隨后進行超聲分散制得氧化石墨烯的過程。

優選地，所選用的石墨粉末純度較高，為99.0％～99.6％。更優選地，石墨粉末的純度為99.5％。

優選地，化學氧化法為改進的Hummers法，包括以下步驟：用無機強質子酸(如濃硫酸、發煙硝酸或它們的混合物)處理石墨粉末，將強酸小分子插入石墨層間，再用強氧化劑(如KMnO₄、KClO₄等)對其進行氧化。

超聲分散制得氧化石墨烯的過程采用的是超聲剝離法，即將氧化石墨懸浮液在一定功率下超聲一定的時間。超聲波在氧化石墨懸浮液中疏密相間地輻射，使液體流動而產生數量眾多的微小氣泡，這些氣泡在超聲波縱向傳播的負壓區形成、生長，而在正壓區迅速閉合，在這種被稱之為“空化”效應的過程中，氣泡閉合可形成超過1.0×10⁸Pa個大氣壓的瞬間高壓，連續不斷產生的高壓就象一連串小“爆炸”不斷地沖擊氧化石墨，使氧化石墨片迅速剝落生成單層氧化石墨烯。其中，氧化石墨烯片的大小可以通過超聲功率的大小及超聲時間的長短進行調節。

步驟(2)是將(1)中所得氧化石墨烯還原得到石墨烯的過程。

優選地，熱處理的溫度范圍為100～500℃。優選地，熱處理的時間為1小時～5小時。

優選地，保護性氣體選自氮氣、氨氣、氫氣和氬氣中的一種或多種。

步驟(3)是將(2)中所得石墨烯用鋰鹽進行衍生化，得到氧化石墨烯衍生物鋰鹽的過程。

優選地，其具體過程為：將(3)所得的石墨烯粉末超聲分散到水中，按氧化石墨中氧的質量與鋰鹽中鋰的質量之比為16～20∶7的量加入鋰鹽，室溫攪拌2～48小時至充分反應完全，靜置除去過量的鋰鹽沉淀，加入稀鹽酸，至水溶液pH呈中性，水洗滌，真空120℃干燥24小時除水。

優選地，步驟(3)中加入的鋰鹽為氫氧化鋰、碳酸鋰或醋酸鋰。

由于石墨烯表面存在大量羧基和/或羥基，加入的鋰鹽便能與羧基和/或羥基形成羰基鋰和/或羥基鋰。

第二方面，本發明提供了一種氧化石墨烯衍生物鋰鹽，該氧化石墨烯衍生物鋰鹽按照前述制備方法制備得到。優選地，所制得的氧化石墨烯衍生物鋰鹽中氧元素的含量為2～40％，鋰元素的含量為0.1～14％。氧化石墨烯衍生物鋰鹽具備良好的導電性，以及高的機械性能，有較好的功率密度以及壽命，有較高的容量。

本發明所制得的氧化石墨烯衍生物鋰鹽的分子結構示意圖如下：

第三方面，本發明提供了一種氧化石墨烯衍生物鋰鹽在鋰離子電池正極材料中的用途。