[發明專利]雙層石墨烯管及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010052972.0
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111244457B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 李金來;劉東海;張勃;郝胐;盧云峰;莫潤偉;李凡;譚欣怡;陶然;徐金暉
• 申請（專利權）人: 新奧石墨烯技術有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/184;C01B32/194
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 肖陽

本發明公開了雙層石墨烯及其制備方法和應用，雙層石墨烯管包括外層管和內層管，內層管摻雜氮元素，外層管和內層管之間的距離為5～20納米。該結構的雙層石墨烯管具有優異的導電特性和力學性質以及豐富的孔隙結構，由于內層管為氮摻雜石墨烯管狀，使得內層管顯示為親水性質，而未摻雜的外層管顯示為疏水性質，從而可以將非碳活性物質負載在該雙層石墨烯管的內部，將該復合物作為鋰電池負極材料時，其中的雙層石墨烯管為非碳活性物質在充放電過程中的體積膨脹提供有效的緩沖空間，即有效抑制負極材料中非碳活性物質在充放電過程中的體積膨脹問題，同時保證電極反應過程中快速的離子和電子傳導通道，提升鋰電池的質量比容量和體積比容量。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池領域，具體涉及一種雙層石墨烯管及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池以其高的能量密度、優異的循環壽命等優勢，逐漸被廣泛應用于便攜式電子產品、電動汽車等領域，但是，隨著新能源產業的逐步發展，市場對鋰離子電池的要求也越來越高，而電池的體積能量密度作為衡量電池的重要指標，也成為限制鋰離子電池發展的重要方面。作為電池的重要組成部分，電池的負極直接影響著鋰離子電池的電化學性能。而現今已被廣泛商業化應用的石墨類負極材料的理論比容量僅有372mAh/g，理論體積比容量僅為719mAh/cm³，因此，需要更高體積比容量的負極材料作為支撐。

在眾多的可選負極材料中，非碳類材料如金屬Sn及其氧化物、非金屬Si及其氧化物等材料具有非常高的質量比容量及體積比容量，因此，在改善鋰離子電池體積能量密度方面具有十分重要的作用。但是這一類材料在作為電極材料發生充放電的過程當中會發生嚴重的體積膨脹，例如，Si基負極材料的體積膨脹率可以達到300～400％，嚴重影響了其在鋰離子電池中的大規模應用。

因此，現有的鋰離子電池負極材料有待改進。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種雙層石墨烯管及其制備方法和應用，該結構的雙層石墨烯管負載上非碳活性物質作為鋰電池負極材料時，其中的雙層石墨烯管為非碳物質在充放電過程中的體積膨脹提供有效的緩沖空間，即有效抑制負極材料中非碳活性物質在充放電過程中的體積膨脹問題，同時保證電極反應過程中快速的離子和電子傳導通道，提升鋰電池的質量比容量和體積比容量。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種雙層石墨烯管。根據本發明的實施例，所述雙層石墨烯管包括外層管和內層管，所述內層管摻雜氮元素，所述外層管和所述內層管之間的距離為5～20納米。發明人發現，該結構的雙層石墨烯管具有優異的導電特性和力學性質以及豐富的孔隙結構，可以作為高體積比容量負極活性物質的結構載體，并且由于內層管為氮摻雜石墨烯管狀，使得內層管顯示為親水性質，而外層管為非摻雜石墨烯管狀，其顯示為疏水性質，從而可以將非碳活性物質負載在該雙層石墨烯管的外層管和內層管之間，將該復合物作為鋰電池負極材料時，其中的雙層石墨烯管為非碳物質在充放電過程中的體積膨脹提供有效的緩沖空間，即有效抑制負極材料中非碳活性物質在充放電過程中的體積膨脹問題，同時保證電極反應過程中快速的離子和電子傳導通道，提升鋰電池的質量比容量和體積比容量。

在本發明的一些實施例中，所述雙層石墨烯管直徑為100～2000納米，長度為5～50微米。

在本發明的第二個方面，本發明提出了一種制備上述雙層石墨烯管的方法。根據本發明的實施例，所述方法包括：

(1)將鎂鹽溶液和尿素溶液進行混合，以便得到混合液；

(2)將所述混合液在水熱釜中進行水熱反應，然后抽濾、干燥、煅燒，以便得到MgO模板；

(3)將所述MgO模板置于高溫反應器中持續升溫，同時通入第一氣體，達到第一預定溫度后，向所述高溫反應器中通入第二氣體；

(4)將步驟(3)得到的反應產物分散于含有鎂鹽溶液和尿素溶液的混合液中，然后在第二預定溫度下反應；