[發明專利]一種石墨烯納米條帶材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201810073684.6
• 申請日: 2018-01-25
• 公開（公告）號: CN110078060B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 劉立偉;錢雨婷;李奇;王汝冰;劉豐奎;李偉偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所;中國科學院大學
• 主分類號: C01B32/19
• 分類號: C01B32/19;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王茹;王鋒

本發明公開了一種石墨烯納米條帶材料及其制備方法與應用。所述的制備方法包括：采用Hummers方法對碳納米管進行縱向氧化剝離，形成氧化石墨烯納米條帶溶液；對氧化石墨烯納米條帶溶液進行定向冷凍干燥處理，獲得結構有序的絮狀氧化石墨烯納米條帶材料。本發明工藝簡單，所獲石墨烯納米條帶材料具有三維多孔結構、較大的比表面積及大量有利于儲鋰的含氧官能團，由此材料制備得到的鋰離子電池負極具有高比容量(500?650mAh/g)、優越的電化學性能及良好的倍率性能，是一種性能理想的電池負極材料。

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池負極材料及其制備工藝，特別涉及一種石墨烯納米條帶材料、其制備方法以及其在鋰離子電池負極材料、鋰離子電池中的應用，屬于鋰離子電池技術領域。

背景技術

人類社會發展日新月異，能源需求日益增加的同時，煤、石油、天然氣等不可再生能源的儲存量急劇減少，尋找新型可再生清潔能源成為當務之急，鋰離子電池由于其優越的性能脫穎而出成為比能量和效率最高的二次電池類型。1990年Tazawa等人開始采用碳材料做負極，鋰與過渡金屬的化合物作為正極制備出了鋰離子電池。碳材料作為鋰離子電池負極材料具有脫嵌鋰過程中結構變化較小、電極電位較低、平臺穩定、導電性優越、成本低廉、來源豐富、無毒無害等優點，因此直到現在，碳類材料仍是最常用的鋰離子電池負極材料，主要包括石墨類、無定形碳類、碳纖維材料等，然而傳統碳材料的比容量較低，大約在376mAh/g左右，在能量密度方面無法滿足要求。

2004年，英國科學家Geim和Novoselov首次從石墨中成功剝離出了二維碳材料石墨烯，與塊狀石墨不同，它是由sp²雜化碳組成的六方晶格緊密排列而成的二維平面單分子層晶體材料。石墨烯作為新興的二維碳材料，具有巨大的比表面積和優異的電學、熱學及力學性能，有望在鋰離子電池負極材料方面取得重要的應用。Boehm等選用石墨作為鋰離子電池負極，測得電池容量372mAh/g[Carbon,I975(13):337-345]，Zhao等制備出石墨烯納米片作為鋰離子電池負極，材料容量達到794-1054mA h/g[Chem.Mater.2009,21,3136-3142],遠高于傳統碳材料。然而，由于鋰離子縱向穿越石墨烯的擴散勢壘高達9eV[ACSAppl.Mater.Interfaces 2012,4,2432-2438]，因此石墨烯材料巨大的比表面積反而阻礙了充放電過程中的鋰離子傳輸。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種石墨烯納米條帶材料及其制備方法與應用，從而克服了現有技術中的不足。

為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案：

本發明實施例提供了一種石墨烯納米條帶材料的制備方法，其包括：

采用Hummers方法對碳納米管進行縱向氧化剝離，形成氧化石墨烯納米條帶溶液；

對所述氧化石墨烯納米條帶溶液進行定向冷凍干燥處理，獲得結構有序的絮狀氧化石墨烯納米條帶材料。

在一些實施例中，所述制備方法包括：使包含碳納米管、濃硫酸、磷酸、氧化劑的混合反應體系于60～80℃反應1～3h，形成氧化石墨烯納米條帶溶液。

進一步地，所述制備方法具體包括：將碳納米管加入濃硫酸中攪拌1～3h，之后依次加入磷酸、氧化劑，形成所述混合反應體系。

進一步地，所述碳納米管、濃硫酸、磷酸、氧化劑的質量體積比為1g：150～500mL：10～56mL：2～10g。

進一步地，所述制備方法還包括：反應結束后，將所述混合反應體系與濃度為0.5～1wt％的過氧化氫溶液混合，并對所獲沉淀進行離心清洗，之后透析8～15天，形成均勻氧化石墨烯納米條帶溶液。

進一步地，所述定向冷凍干燥包括：：將所述氧化石墨烯納米條帶溶液在垂直方向上以1～100mm/min的速度浸入冷卻介質中2h以上，之后于5℃以下冷凍干燥5～15天。