[發明專利]碳包覆石墨烯基金屬氧化物復合材料的制備方法及其應用

無效

• 申請號: 201210346973.1
• 申請日: 2012-09-17
• 公開（公告）號: CN102881898A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 馮新亮;吳東清;李爽;張帆;蘇躍增;劉萍
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發明涉及一種碳包覆石墨烯基金屬氧化物復合材料的方法及其應用，尤其涉及一種二維殼核結構的碳包覆石墨烯基金屬氧化物復合材料的方法及其應用。屬于材料科學和電化學技術領域。

背景技術

隨著能源與環境問題的日益凸顯，新能源產業得到了越來越多的重視。混合動力汽車和電動汽車行業發展迅速，鋰離子電池作為其中重要的儲能裝置被廣泛應用。鋰離子電池有著能量密度高，循環性能好等一些優良的性能，也被認為是目前最有效的能源存儲方式之一，因此，進一步提高其能量密度和循環性能也是當下研究的難點和熱點。

鋰離子電池的負極是電池的重要組成部分，它的結構與性能直接影響鋰離子電池的容量和循環性能。目前商用的鋰離子電池負極材料以石墨為主，石墨成本低，來源廣泛，適于商品化；但是其容量較低，理論容量僅為372mAhg^-1，在需要高能量輸出的領域中應用時受到限制。

金屬氧化物如Fe₃O₄、SnO₂等作為鋰離子電池負極材料具有很高的比容量，其比容量高達700-1000mAh?g^-1；但大部分金屬氧化物，尤其是SnO₂作為電極材料在充放電過程中體積變化高達200-300％，該體積變化會引起電極的粉化，導致活性物質與集流體的斷路。因此，大多數金屬氧化物作為鋰離子電池電極時都存在容量衰減迅速的問題，這也限制了金屬氧化物作為鋰離子電池負極材料的發展和實際應用。

目前，為拓展金屬氧化物在鋰離子電池負極材料中的應用，科研工作者們針對金屬氧化物存在的這些問題進行了深入的研究，例如對電極材料進行改性，包括包覆、摻雜、復合以及納米材料的制備，通過這些方法來提高電極材料的性能，特別是在金屬氧化物與碳材料進行納米尺度的復合，制備出新型的納米結構方面已經成為目前研究的熱點。

碳材料有著其獨特的優良性能：穩定性、導電性好，質輕；使其可以作為良好的金屬氧化物的載體，通過吸收金屬氧化物在鋰離子電池充放電過程中的體積變化應力，從而增強金屬氧化物的循環性能。因此，將碳材料和金屬氧化物進行結合構造出的新型納米結構的復合材料作為鋰離子電池的負極材料，有望顯著提高鋰離子電池的性能，并且對于其拓展應用也具有深遠意義。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種能增強金屬氧化物循環性能的二維碳包覆的復合材料。

為實現上述目的，本發明提供了一種具有二維殼核結構的碳包覆石墨烯基金屬氧化物復合材料的制備方法及其應用。具體地，采用單層碳原子結構的二維石墨烯作為載體，酚醛樹脂或多糖類作為碳源前驅體，制備出二維殼核結構的碳包覆的石墨烯基金屬氧化物納米復合材料。

本發明通過以下技術方案來解決上述技術問題：

一方面，本發明提供了一種具有二維殼核結構的碳包覆石墨烯基金屬氧化物復合材料的制備方法。

本發明的制備方法采用兩步法合成具有二維殼核結構的碳包覆石墨烯基金屬氧化物復合材料。首先，將氧化石墨烯表而功能化，然后采用金屬氯化物在功能化的石墨烯表面水解，通過原位生長法得到石墨烯基金屬氧化物納米片；其次，通過在該納米片表面聚合一層高分子聚合物來包覆其表面的金屬氧化物顆粒；最后，通過煅燒碳化，得到碳包覆的二維殼核架構的復合材料。

在本發明中，制備具有二維殼核結構的碳包覆石墨烯基金屬氧化物復合材料的具體方法包括如下步驟：

步驟一、制備石墨烯基金屬氧化物納米片：

首先，在濃度為0.2-1mg/mL的氧化石墨烯(GO)水溶液中加入聚二烯二甲基氯化銨(PDDA)的水溶液，超聲混合均勻；

其次，向上述分散液中加入金屬氯化物后，在60-90℃保溫1-5小時；

最后，將上述反應后的溶液離心，用去離子水洗滌，重復離心、洗滌操作多次，將得到的固體分散于去離子水中待用。

步驟二、制備碳包覆的石墨烯基金屬氧化物納米片：

首先，向上述石墨烯基金屬氧化物納米片的分散液中加入碳源前驅體的水溶液，然后進行催化聚合或直接水熱碳化處理；

其次，將上述反應后的溶液進行離心，并用去離子水進行反復離心洗滌多次，將得到的固體經過干燥、煅燒，最終得到碳二維殼核結構的包覆石墨烯基金屬氧化物的復合材料。

其中，所述金屬氯化物優選為氯化亞錫(SnCl₂·2H₂O)或氯化亞鐵(FeCl₂·4H₂O)。