[發(fā)明專利]一種石墨烯粉末的制備方法及其在鋰離子電池中的應(yīng)用

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210196429.3
• 申請日: 2012-06-06
• 公開（公告）號: CN103466602A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫培育;劉剛橋;吳禎琪;吳剛
• 申請（專利權(quán)）人: 東麗先端材料研究開發(fā)（中國）有限公司
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;H01M4/1393
• 代理公司: 暫無信息
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米石墨導(dǎo)電材料領(lǐng)域，具體涉及一種低溫快速制備高分散性和高導(dǎo)電性的石墨烯的方法及其在鋰離子電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

石墨烯作為一種新型的碳納米材料，自從2004年發(fā)現(xiàn)以來，一直備受關(guān)注。石墨烯具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能，有望在電池材料、儲能材料、電子器件、復(fù)合材料等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。而石墨烯的低成本化、高效制備和分散是其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)所在。在眾多石墨烯制備方法中(包括機(jī)械剝離法，化學(xué)氣相沉積法，晶體外延生長法和氧化還原法等)，氧化還原法(即對石墨進(jìn)行氧化制備氧化石墨/氧化石墨烯，然后進(jìn)行還原制備石墨烯的方法)是最有可能大批量制備石墨烯的方法之一，對石墨烯的工業(yè)化具有重大意義。

目前，氧化還原法中使用的原料氧化石墨/氧化石墨烯的制備技術(shù)相對比較成熟，而現(xiàn)有還原技術(shù)主要是采用高溫?zé)徇€原和肼類還原劑還原氧化石墨烯制備石墨烯。美國專利US?7658901采用了1050℃的高溫將氧化石墨烯進(jìn)行熱還原，制備了石墨烯。然而該制備方法的條件為高溫，設(shè)備要求高。Ruoff等以水合肼為還原劑在水中100℃反應(yīng)24小時，將氧化石墨烯還原從而制備了石墨烯(Ruoff，et?al.Carbon，2007，45，1558)。然而肼類還原劑為極毒性試劑，不利于應(yīng)用，而且反應(yīng)時間較長。因此，尋找新型簡單、溫和、高效、無毒害的還原方法已經(jīng)很迫切。

另外，通過高溫?zé)徇€原或肼類還原劑還原氧化石墨烯得到的石墨烯粉末易團(tuán)聚、在溶劑中分散性差，這也是石墨烯應(yīng)用的一個亟待解決的問題。Li等人通過在肼類還原劑還原氧化石墨烯過程中添加氨水，使得石墨烯帶有電荷(Li，et?al.Nature?Nanotechnology，2008，3，101)，從而獲得了在水中穩(wěn)定分散的石墨烯。然而，由于是通過電荷實現(xiàn)穩(wěn)定分散，因此只能局限于水分散體系，而且該石墨烯的水分散液干燥后和只使用肼類還原劑制備的石墨烯粉末一樣，依然不能分散。專利申請?zhí)枮?01010286477.2的中國專利采用了酚基胺類還原劑將氧化石墨烯進(jìn)行還原制得石墨烯穩(wěn)定分散液，但并未制得可分散的石墨烯粉末；Liu等利用多巴胺(Liu，et?al.J.Phys.Chem.C?2012，116，3334-3341)、Kaminska等利用多巴胺疊氮化物(Kaminska，et?al.Appl.Mater.Interface，2012，4，1016)為還原劑將氧化石墨烯進(jìn)行還原和修飾，制備出石墨烯穩(wěn)定分散液和石墨烯薄膜，但也未制得可分散的石墨烯粉末；而且由于多巴胺類化合物還原能力有限，對氧化石墨烯的還原不足，得到的石墨烯導(dǎo)電性較差，不利于應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種簡單、快速、溫和、高效的石墨烯制備方法，制備出具有高導(dǎo)電性和高分散性的石墨烯粉末。

本發(fā)明的另外一個目的是通過使用本發(fā)明方法制備的石墨烯粉末，制備高性能鋰離子電池電極。

眾所周知，海洋生物“貽貝”具有超強(qiáng)的黏附能力，能黏附各種基材，包括最難黏結(jié)的聚四氟乙烯(PTFE)。研究表明，貽貝的超強(qiáng)黏附能力主要通過其分泌的一種含有鄰苯二酚官能團(tuán)的黏附蛋白實現(xiàn)的。本發(fā)明通過含鄰苯二酚官能團(tuán)的化合物來模擬海洋貽貝的超強(qiáng)黏附能力，黏附在氧化石墨烯表面；再利用連二亞硫酸鈉等高效還原劑的超強(qiáng)還原性，在溫和條件下對氧化石墨烯進(jìn)行快速、高效還原，既能保證了還原充分、又能防止團(tuán)聚，從而制備出高電導(dǎo)性、高分散性的石墨烯粉末，其粉末導(dǎo)電率高于1×10³Ωcm(密度為1g/cm³時)，分散在溶劑如N-甲基吡咯烷酮(NMP)中能保持穩(wěn)定。

采用本發(fā)明制備的石墨烯粉末、電極活性材料、及粘合劑可以制備鋰離子電池電極。由于本發(fā)明制備的石墨烯粉末具有高導(dǎo)電性和高分散性，石墨烯能夠在電極中實現(xiàn)良好分散，改善電極的導(dǎo)電性、降低內(nèi)阻，使獲得高容量和大功率的高性能鋰離子電池成為可能。

本發(fā)明的目的可以通過以下措施達(dá)到：

一種制備石墨烯粉末的方法，在含鄰苯二酚官能團(tuán)的化合物存在下，通過使用與該化合物不同的還原劑，對氧化石墨烯進(jìn)行還原。

具體包括如下步驟：第一步，制備氧化石墨烯分散液；第二步，在含鄰苯二酚官能團(tuán)的化合物存在下，通過與該化合物不同的高效還原劑對氧化石墨烯進(jìn)行還原反應(yīng)，制備石墨烯粉末。

其中，第一步的氧化石墨烯分散液制備方法：將氧化石墨膏體用溶劑稀釋或?qū)⒀趸勰┰谌軇┲蟹稚ⅲ?jīng)超聲波處理后得到氧化石墨烯分散液。