[發明專利]一種納米晶狀CoO-石墨烯復合材料及其制備與應用

有效

• 申請號: 201410559413.3
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104393283A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 王斌;程建麗;官群
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院化工材料研究所
• 主分類號: H01M4/52
• 分類號: H01M4/52;H01M4/62;H01M4/131;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務所 51213
• 代理人: 伍孝慈

技術領域

本發明涉及一種石墨烯復合材料，特別是一種CoO與石墨烯復合的復合材料，本發明同時涉及了石墨烯復合材料的制備方法與其在鋰離子電池上的應用。

背景技術

近幾年來，筆記本電腦、移動電話、數碼相機、攝像機等與生活息息相關的數字化電子設備日趨小型化、便攜化、多功能化，因此要求電池朝小型化、大容量、長壽命充放的方向發展。繼鎳鎘、鎳氫電池之后的鋰離子電池，具有能量密度高、功率大、循環壽命長、工作電壓平穩、無記憶效應、自放電率低，以及對環境污染小等優點而成為目前應用最廣的二次電池。而鋰離子電池的負極材料對于整個電池性能起到關鍵地決定性作用，其中石墨碳材料是最常見的負極材料，但其理論鑲嵌鋰容量有限，僅372mAh/g，不利于電量的大量儲存。為了滿足更高能量鋰離子電池的要求，迫切需要開發高容量的新型負極材料。

金屬及其氧化物因其具有高的理論容量，較高的鑲嵌鋰電位而吸引了很多研究工作者的關注。但是，這類材料用作鋰離子電池的負極時，在鋰離子電池充放電過程中，伴隨著鋰離子的嵌入/脫出會發生較大的體積變化，導致電極內部的粉化或裂紋，使容量迅速衰減，進而影響循環性能。

發明內容

基于上述現有技術的缺陷，本發明希望通過低溫重結晶和低溫退火這樣的簡單、廉價、高效率、綠色環保的工藝來獲得可以作為鋰離子電池負極使用的容量高、循環性能好的納米晶狀CoO-石墨烯復合材料。

為達到上述目的，本發明主要通過以下技術方案實現：

本發明首先提出了一種納米晶狀CoO-石墨烯復合材料，該復合材料為由單層石墨烯與CoO納米晶體組成的二維復合材料，其中單層石墨烯為負載骨架，CoO納米晶體均勻地鑲嵌于該單層石墨烯的上、下表面，所述單層石墨烯厚度為1～50μm，所述CoO納米晶體平均粒徑為2～20nm。

本發明進一步提出了對上述納米晶狀CoO-石墨烯復合材料的制備方法，包括以下步驟：

A：負載體的制備與處理：

A1：采用改性Hummers方法制備氧化石墨烯；

A2：將由上一步驟制備得到的氧化石墨烯超聲分散于無水乙醇中，得到氧化石墨烯的乙醇溶液，所述超聲分散選用能起到剝離所述氧化石墨烯以得到單層氧化石墨烯的作用的參數；

B：載體的制備與處理：

B1：將四水合醋酸鈷充分溶解于無水乙醇中形成四水合醋酸鈷的乙醇溶液，溶解完全后，對所述溶液進行降溫重結晶，收集沉淀；

B2：取上一步驟的沉淀充分溶解于無水乙醇中，得到淺粉色的Co₅(OH)₂(CH₃COO)₈·2H₂O的乙醇溶液；

C：前驅體的制備

將由步驟A制得的氧化石墨烯的乙醇溶液與由步驟B制得的Co₅(OH)₂(CH₃COO)₈·2H₂O的乙醇溶液混合均勻得到混合液，將該混合液在低溫下放置再恢復室溫后收集其產生的沉淀，將所得沉淀干燥與研磨，即得到前驅體；D：復合材料的獲得

將完成步驟C后得到的前驅體于氣壓小于50Pa的環境中在200℃～350℃保存10～60min，即得到納米晶狀CoO-石墨烯復合材料。

在上述步驟A1中改性Hummers方法為化學氧化法，通過強氧化劑的兩次氧化作用使石墨表面帶上含氧官能團，步驟A2中無水乙醇的量可以在滿足氧化石墨烯充分分散的條件下選擇性調整；超聲分散的參數可以在滿足起到剝離氧化石墨烯以得到單層氧化石墨烯的作用下選擇性調整，在判斷所選參數是否適當時可以該參數下分散后的氧化石墨烯進行AFM表征，觀察其微觀結構是否滿足其為單層氧化石墨烯的要求。步驟B2中無水乙醇的量可以在滿足充分溶解所述沉淀的條件下選擇性調整。步驟C中低溫下放置再恢復到室溫的方法是因為低溫下，如0℃以下，Co₅(OH)₂(CH₃COO)₈·2H₂O會完全溶解于無水乙醇中，與氧化石墨烯發生原位復合，再恢復到室溫，Co₅(OH)₂(CH₃COO)₈·2H₂O在無水乙醇中重結晶出來，均勻的鑲嵌在氧化石墨烯上下表面。