[發明專利]石墨烯粉末及其制備方法以及含有石墨烯粉末的電化學器件在鋰二次電池的應用

有效

• 申請號: 201180059402.3
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN103402913A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 孫培育;吳禎琪;劉剛橋;玉木榮一郎;久保田泰生;吳剛
• 申請（專利權）人: 東麗纖維研究所（中國）有限公司
• 主分類號: C01B31/00
• 分類號: C01B31/00;C01B31/02;H01M4/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 陳劍華;顧晉偉

技術領域

本發明涉及一種具有高分散性和高導電性的石墨烯粉末及其制備方法。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子組成的二維晶體，從2004年被發現以來，倍受關注。石墨烯具有優良的電學、熱學、光學和機械性能，因此人們期待其在電池材料、儲能材料、電子器件、復合材料等領域能得到廣泛的應用。英國曼徹斯特大學的兩位教授由于他們在石墨烯方面的研究成果而獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯的制備方法有機械剝離法、化學氣相沉積法、外延晶體生長法、氧化還原法等。在上述方法中，前三種方法工藝復雜，而且生產率低，因此很難大量生產。另一方面，氧化還原法具有易于大量生產及化學修飾的特征，因此廣受注目。

目前，氧化還原法的研究主要集中在通過熱還原法或者使用還原劑(例如：肼類物質、或其它有機物質)來使氧化石墨烯還原，由此制備石墨烯。

該熱還原法是通過在1050℃進行氧化石墨烯的熱還原來制備石墨烯(專利文獻1)。但是，熱還原法需要高溫反應，因而需要較高的設備費用。

用還原劑還原來制備石墨烯的一個公知例是以水合肼為還原劑，在水中100℃反應24小時，使氧化石墨還原，制備石墨烯(非專利文獻1)。但是，肼類還原劑為極毒性試劑，不利于工業應用，且反應時間較長。因此，需要尋找新型簡單、高效、低毒害的還原法。

另一方面，另一制備石墨烯的公知例，是通過使用含有氨基基團的有機物質，例如尿素作為還原劑，來去除氧化石墨表面的含氧基團，制備石墨烯(專利文獻2)。這種反應體系具有較低的毒性，但是，尿素作為有機物質，其反應活性較低，因此氧化石墨的還原不充分。

此外，在這樣制備得到的石墨烯的性能方面，由熱還原法制備得到的石墨烯(非專利文獻2)具有高結晶性、在片層方向上易出現片層的層疊，也易導致團聚。此外，通過使用肼類還原劑而制備的石墨烯具有氮元素摻雜的構造，從而導致導電性降低的問題存在。

與上述制備方法不同，不經過氧化石墨而制備石墨烯的方法也有報道。例如：通過快速加熱石墨層間化合物，使得石墨層間化合物的片層剝離，形成石墨烯(非專利文獻3)。但是，通過此方法制備得到的石墨烯由于未經過氧化石墨的過程，因此官能團較少，在溶劑或樹脂中不易分散，容易團聚。

此外，通過CVD在基材上制備石墨烯的技術也是周知的。但是，得到的石墨烯不是粉末狀，而是薄膜狀的。即使將由此技術制備得到的石墨烯制成粉末狀，由于幾乎不含有氧原子，所以也是容易團聚的。

現有技術文件

專利文獻

專利文獻1：美國專利No.7658901

專利文獻2：中國專利申請No.201010108326.8

非專利文獻

非專利文獻1：Ruoff，et?al.CaRbon，2007，45，1558

非專利文獻2：Yang?D.，et?al.CaRbon，2009，47，145

非專利文獻3：KalaItzIdou?K.，et?al.ComposItes：PaRt?A，2009，38，1675

發明內容

發明解決的問題

本發明的第一個目的是，獲得高分散性和高導電率的石墨烯粉末。

本發明的第二個目的是，提供一種快速、低成本、反應條件溫和的制備方法，以解決現有技術中的問題。

本發明的第三個目的是，提供高性能電化學器件，例如，具有高容量和大功率輸出的鋰二次電池。

解決的課題

本發明的石墨烯粉末具有含微量的含氧官能團及極少的氮原子的構造。

此外，本發明的石墨烯粉末制備方法是，用連二亞硫酸鹽作為還原劑，去除氧化石墨表面的含氧基團，制備具有高分散性和高導電性的石墨烯粉末。

再者，本發明的石墨烯粉末具有高分散性和高導電率，有利于制備具有高容量和大功率輸出的高性能鋰二次電池。

本發明包括：

(1)一種石墨烯粉末，其特征在于，氧原子與碳原子的元素比率為0.07～0.13，氮原子與碳原子的元素比率不大于0.01。

(2)上述(1)所述的石墨烯粉末，其特征在于，由拉曼光譜法測得的I_D峰值強度與I_G峰值強度的比值為1～2；

(3)上述(1)所述的石墨烯粉末，其特征在于，由拉曼光譜法測得的I_2D峰值強度與I_G峰值強度的比值為0.1～0.2；