[發明專利]一種氮硫雙摻雜石墨烯/石墨復合材料、制備方法及應用

在審

• 申請號: 202011049838.1
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112174127A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 馮泉濤;隋艷偉;肖彬;孟冬梅
• 申請（專利權）人: 江蘇福瑞士電池科技有限公司;中國礦業大學
• 主分類號: C01B32/194
• 分類號: C01B32/194;C01B32/21;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 徐州市三聯專利事務所 32220
• 代理人: 陳鵬

本發明公開一種氮硫雙摻雜石墨烯/石墨復合材料、制備方法及應用，包括：(1)將氧化石墨烯和硫脲超聲分散在去離子水中；(2)取抗壞血酸加入到溶液中，至抗壞血酸全部溶解；(3)將溶液在水浴條件下加熱，至溶液呈粘稠狀態；(4)將天然石墨加入到粘稠狀溶液中，至天然石墨在溶液中分散均勻；(5)將均一粘稠溶液轉移到水浴鍋中，加熱自組裝；(6)自組裝反應結束后，冷卻得到黑色柱狀水凝膠；(7)冷凍干燥后得到黑色柱狀氣凝膠，煅燒得到氮硫雙摻雜石墨烯/石墨復合材料。本發明對石墨烯/石墨復合材料進行摻雜改性，可以共同發揮石墨烯和石墨的各自優勢，提高鋰離子電池負極材料的電化學性能，并簡化操作流程，適用于大規模的工業生產。

技術領域

本發明涉及一種氮硫雙摻雜石墨烯/石墨復合材料、制備方法及應用，屬于鋰離子電池領域。

背景技術

與普通電池相比，鋰離子電池因具有高能量密度、快速的充放電效率、長循環壽命、較好的高低溫性能和綠色環保等優點，在日常生活及工業界得到了廣泛的應用和普及，正處于蓬勃發展的時期。目前，國家大力發展新能源汽車，鋰離子電池作為新能源汽車提供動力的主要來源，因此提高鋰離子電池的能量密度和倍率性能十分必要，提升鋰離子能量密度的一個重要方法就是提高電極材料的容量，由于負極比容量要比正極高的多，所以提升電池容量主要依靠改善負極材料的組成。

當前商業化的負極材料主要為石墨，其作為動力電池的負極，主要有以下問題：(1)石墨負極理論容量較低，只有372mAh/g，且目前優良的商用石墨負極可以達到360mAh/g以上，越來越接近理論值。(2)倍率性能差，不適合大電流充放電。(3)石墨在含有有機溶劑的電解質中，會發生溶劑共嵌入現象，使石墨化層結構逐漸被剝離。因此，對石墨進行改性處理，開發出高性能復合電極材料，具有重要的科學意義和產業化價值。

石墨烯由于具有高導熱系數(5300W/mK)、高電子遷移率(1.5×104cm2/Vs)和高機械強度等，在鋰離子電池中廣泛研究。石墨烯作為負極材料，它具有較高的理論比容量，可逆容量約744mA·h/g，是石墨負極材料的兩倍。另外石墨烯由于具有較高的導熱性能，使電池體系中具有較高的穩定性，同時由于其較大的片層間距，使鋰離子在充放電的過程中能較快的嵌入和脫出，有利于提高倍率性能。但石墨烯由于巨大的比表面積，導致首次庫倫效率較低，不適合單獨作為電極使用，當與石墨復合后可以起到優勢互補的作用，因此石墨烯復合改性石墨負極具有積極的意義。

石墨烯自發現以來，研究者們對其改性制備就開展的大量的研究。異原子摻雜改性是其中一個重要的研究方向。通過異原子摻雜，一方面可以增加石墨烯的導電性，同時摻雜所導致的缺陷結構提供更多的儲鋰位點，從而相比石墨烯具有更好的電化學性能。

中國科學院上海硅酸鹽研究所郭向欣等人的關于在氮硫共摻雜石墨烯專利(公開號：CN104882608A)，將硫脲、甲醛溶液和氧化石墨烯混合后，先在60～100℃下自組裝6～24小時后，再于600～1000℃下熱處理1～6小時，得到氮硫共摻雜石墨烯，此發明采用的甲醛溶液，有致癌作用，對環境污染較大，不適合大規模工業生產。

濱州學院王芳等人的關于氮硫雙摻雜石墨烯制備方法專利(公開號：CN108745402A)，分別以尿素和硫代硫酸鈉為氮源和硫源，采用水熱和后續高溫干燥(150℃～200℃)的方法制備氮硫共摻雜石墨烯，此發明在水熱的條件下組裝，不適合工業生產，且制備的石墨烯如果不經過高溫煅燒處理，表面會存在較多的含氧官能團，在充放電的過程中將造成可逆容量的損失。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種氮硫雙摻雜石墨烯/石墨復合材料、制備方法及應用，采用對石墨烯/石墨復合材料進行摻雜改性，可以共同發揮石墨烯和石墨的各自優勢，提高鋰離子電池負極材料的電化學性能，并簡化操作流程，適用于大規模的工業生產。

為了實現上述目的，本發明采用的一種氮硫雙摻雜石墨烯/石墨復合材料的制備方法，包括以下步驟：