[發明專利]一種摻雜石墨烯及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201610943741.2
• 申請日: 2016-11-02
• 公開（公告）號: CN108017050A
• 公開（公告）日: 2018-05-11
• 發明（設計）人: 寧國慶;李永峰
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(北京)
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;H01M4/583;H01M4/133;H01M10/0525
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 張德斌;姚亮

本發明提供了一種摻雜石墨烯及其制備方法和應用。所述方法包括：(1)將石墨與氧化劑、摻雜劑進行混合，制備得到插層石墨；優選石墨、氧化劑和摻雜劑的質量比為1：1?20：0.1?10；(2)將步驟(1)得到的插層石墨煅燒得到膨脹石墨；(3)將步驟(2)得到的膨脹石墨通過溶劑剝離得到所述摻雜石墨烯。這種摻雜多層石墨烯負極材料大幅提高了負極材料的比容量；同時相較于單純的以石墨烯材料作為負極材料，不僅有效地控制了材料成本，而且提高了材料的循環穩定性能。

技術領域

本發明涉及能源技術領域，具體的說，是涉及一種摻雜石墨烯及其制備方法和應用。

背景技術

石墨烯作為一種新型二維結構的碳材料，是由Novoselov等人于2004年首次發現的(Novoselov,K.S.；Geim,A.K.；Morozov,S.V.；Jiang,D.；Zhang,Y.；Dubonos,S.V.；Grigorieva,I.V.；Firsov,A.A.Science 2004,306,666-9)。石墨烯是目前所知的最薄、強度最大的材料，具有優良的導電能力，能夠承受比銅高六個數量級的電流密度，具有創紀錄的導熱能力，并且同時具有高硬度和良好的延展性(Geim,A.K.Science 2009,324,1530-4)。另外，如果能夠把石墨烯這個典型的二維平面結構材料進行隨意剪裁，就可以獲得不同性能的石墨烯材料。石墨烯的這一系列優良的性能使它在許多領域都有潛在的應用前景，成為近期研究的熱點。石墨烯的制備方法主要包括微機械剝離法、氣相化學沉積法、外延生長法、電化學方法、電弧法、有機合成法、化學氧化還原法和超臨界法等等。其中，摻雜被公認為可以有效的提高石墨烯的電化學儲能性能。

鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長且無記憶效應等優點而被廣泛應用于便攜式電子設備中。近幾年，電動設備的發展對鋰離子電池的功率密度和能量密度提出了更高的要求，而電極材料是鋰離子電池性能提高的決定性因素。在負極材料方面，目前商業化的鋰離子電池負極材料石墨理論容量(372mAh g-1)偏低，限制了鋰離子電池電化學性能的提高，因此設計和制備高性能鋰離子電池負極材料是滿足鋰離子電池向電動設備發展的關鍵因素。新型碳材料石墨烯由于具有超高的導電性、較低的電荷轉移電阻、超大的比表面積和層間距、穩定的機械性能和鋰離子存儲性能等諸多特性展現出各種潛在應用價值，是當前科學領域研究的熱點，也被認為是鋰離子電池負極的潛在理想材料。但單純的石墨烯負極材料因為其不可逆容量較大、循環穩定性較差和沒有穩定的電壓平臺等原因，同樣限制了其在鋰離子負極電池材料方面的應用。因此，獲得一種具有較高比容量、較穩定的循環性能、倍率性能以及穩定的電壓平臺的鋰離子電池負極材料仍然有待研究。

發明內容

本發明的一個目的在于提供一種摻雜石墨烯的制備方法；

本發明的另一目的在于提供所述的制備方法制備得到的摻雜石墨烯；

本發明的又一目的在于提供所述摻雜石墨烯的用途；

本發明的再一目的在于提供所述摻雜石墨烯制備的電池負極。

為達上述目的，一方面，本發明提供了一種摻雜石墨烯的制備方法，其中，所述方法包括：

(1)將石墨與氧化劑、摻雜劑進行混合，制備得到插層石墨；

(2)將步驟(1)得到的插層石墨煅燒得到膨脹石墨；

(3)將步驟(2)得到的膨脹石墨通過溶劑剝離得到所述摻雜石墨烯。

根據本發明一些具體實施方案，其中，所述氧化劑選自濃硫酸、濃硝酸和高錳酸鉀、重鉻酸鉀中的一種或多種的混合。

根據本發明一些具體實施方案，其中，所述摻雜劑選自濃硫酸、磷酸、磷酸鹽和硫酸鹽中的一種或多種的混合。

根據本發明一些具體實施方案，其中，所述磷酸鹽選自磷酸氫銨、磷酸二氫銨、或焦磷酸鈉。