一种石墨烯电池负极材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯电池负极材料的制备方法，属于储能材料技术领域。本发明在制备产品时，先准备原料，再将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后超声分散，得分散液；随后将铁盐溶液滴加至分散液中，搅拌水解，得水解液，在此基础上，将水解液喷雾干燥，得前驱体，再将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000～1200℃条件下，高温反应，得还原石墨烯，随后将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得石墨烯电池负极材料。本发明所得产品石墨烯片层结构层间距较宽，比表面积大，不易发生团聚，作为电极材料，能量密度大，循环稳定性好。

权利要求

1.一种石墨烯电池负极材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：(1)预处理氧化石墨烯：将氧化石墨烯和水按质量比为1：10～1：20混合，再加入氧化石墨烯质量1～10％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为40～60kHz条件下超声分散10～30min后，于温度为65～75℃，搅拌转速为300～500r/min条件下，加热搅拌反应45～60min后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼3～5次，再将洗涤后的滤饼于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；

(2)准备原料：按重量份数计，依次取10～30份预处理氧化石墨烯，80～120份无水乙醇，1～5份硅酸酯，1～10份铁盐溶液；

(3)超声分散：将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后超声分散，得分散液；

(4)水解：将铁盐溶液滴加至分散液中，搅拌水解，得水解液；

(5)前驱体：将水解液喷雾干燥，得前驱体；

(6)还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000～1500℃条件下，高温反应，得还原石墨烯；

(7)纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得石墨烯电池负极材料。

2.根据权利要求1任一项所述的一种石墨烯电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯中的任意一种。

3.根据权利要求1任一项所述的一种石墨烯电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述铁盐为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁、磷酸亚铁中的任意一种。

4.根据权利要求1任一项所述的一种石墨烯电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述有机烷烃气体为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯中的任意一种。

5.根据权利要求1任一项所述的一种石墨烯电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述喷雾干燥为：于进风温度为100～150℃，出风温度为75～85℃，进料速率为10～20g/min条件下，喷雾干燥。

说明书

一种石墨烯电池负极材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及储能材料技术领域，具体是一种石墨烯电池负极材料的制备方法。

背景技术

[0002] 锂离子电池作为最先进的可充放电储能装置，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和储能系统等领域。然而，目前商业化锂离子电池的能量密度和使用寿命还不能满足
其快速发展的应用需要。而负极材料的容量和工作电压是影响电池能量密度的重要因素，
目前商用的负极材料为石墨，其来源丰富、价格便宜、能提供低而平稳的工作电压，但其比
容量较小，因此，需要开发新型负极材料以满足锂离子电池高比能量和高比功率的需求。

[0003] 石墨烯是一种具有原子级蜂窝晶格结构的新型二维碳材料，具有电导率高，比表面积大，机械稳定性和化学稳定性优异的特点，是目前电化学储能装置研究中备受关注的
电极材料之一，在锂离子电池和超级电容器领域具有巨大的应用前景。

[0004] 纯石墨烯材料容易发生团聚，丧失了其因高比表面积而具有的高储锂优势，故首次循环昆仑效率低、电压滞后以及循环稳定性较差，不能替代商用的石墨直接用作锂离子
电池负极材料，因此，如何解决石墨烯制备负极材料时的团聚问题，是本领域技术人员亟待
解决的技术难题之一。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种石墨烯电池负极材料的制备方法，以解决现有技术中石墨烯负极材料由于分散问题及内部缺陷结构的存在，引起的产品能量密度和循环性能不
足的弊端。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种石墨烯电池负极材料的制备方法，具体制备步骤包括：

[0008] (1)预处理氧化石墨烯：将氧化石墨烯和水按质量比为1：10～1：20混合，再加入氧化石墨烯质量1～10％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为40～60kHz条件下超声分散10～
30min后，于温度为65～75℃，搅拌转速为300～500r/min条件下，加热搅拌反应45～60min
后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼3～5次，再将洗涤后的滤饼于温度为105～110
℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；

[0009] (2)准备原料：按重量份数计，依次取10～30份预处理氧化石墨烯，80～120份无水乙醇，1～5份硅酸酯，1～10份铁盐溶液；

[0010] (3)超声分散：将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后超声分散，得分散液；

[0011] (4)水解：将铁盐溶液滴加至分散液中，搅拌水解，得水解液；

[0012] (5)前驱体：将水解液喷雾干燥，得前驱体；

[0013] (6)还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000～1500℃条件下，高温反应，得还原石墨烯；

[0014] (7)纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得石墨烯电池负极材料。

[0015] 进一步的，所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯中的任意一种。

[0016] 进一步的，所述铁盐为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁、磷酸亚铁中的任意一种。

[0017] 进一步的，所述有机烷烃气体为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯中的任意一种。

[0018] 进一步的，所述喷雾干燥为：于进风温度为100～150℃，出风温度为75～85℃，进料速率为10～20g/min，条件下，喷雾干燥。

[0019] 有益效果为：

[0020] (1)本发明技术方案首先以氧化石墨烯为原料，氧化石墨烯的结构主体是由碳原子构成的蜂窝状六元环结构的碳平面，在碳平面和边缘处含有大量的含氧官能团，羟基和
环氧基主要为于碳平面上，而羰基和羧基则主要出于石墨烯的边缘处，由于氧化石墨烯共
轭区疏水，边缘区亲水，因此其自身具有一定的乳化性能，可在硅酸酯的乙醇溶液体系中稳
定分散，再利用超声波的空化作用，使氧化石墨烯片层结构剥离，在滴加铁盐溶液的过程
中，硅酸酯遇水分解，形成原硅酸胶体，胶体吸附铁盐溶液中金属铁离子的同时，将其固定
在氧化石墨烯层间结构中；

[0021] (2)为了解决氧化石墨烯经过充分还原后，石墨烯仍然会含有稳定性较高的羰基等，导致石墨烯结构中还可能存在的缺陷问题，本发明技术方案利用在高温条件下，首先利
用氢气还原石墨烯以及内部嵌入的铁离子，形成的铁晶核被原硅酸水解产生的二氧化硅固
定，随着温度进一步提升，铁晶核作为催化剂核心，催化缺陷处的活性碳原子与二氧化硅之
间反应，形成碳化硅晶须，碳化硅晶须的产生，起到弥补氧化石墨烯结构中的缺陷，同时，晶
须的产生可作为支撑体，有效避免在高温条件下，石墨烯层间结构的层间距重新收缩；而残
余二氧化硅和铁晶核则会被氢氟酸清洗过程中得以去除，不会对产品纯度造成不良影响。

具体实施方式

[0022] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的
实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都
属于本发明保护的范围。

[0023] 预处理氧化石墨烯：将氧化石墨烯和水按质量比为1：10～1：20混合，再加入氧化石墨烯质量1～10％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为40～60kHz条件下超声分散10～
30min后，于温度为65～75℃，搅拌转速为300～500r/min条件下，加热搅拌反应45～60min
后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼3～5次，再将洗涤后的滤饼于温度为105～110
℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；

[0024] 准备原料：按重量份数计，依次取10～30份预处理氧化石墨烯，80～120份无水乙醇，1～5份硅酸酯，1～10份质量分数为1～10％的铁盐溶液；

[0025] 超声分散：将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后，于温度为25～70℃，超声频率为55～80kHz条件下，超声分散10～100min，待冷却至室温，得分散液；

[0026] 水解：于搅拌转速为300～500r/min条件下，边搅拌边将铁盐溶液以3～5g/min速率滴加至分散液中，待铁盐溶液滴加完毕后，继续搅拌水解反应1～2h，得水解液；

[0027] 前驱体：将水解液以10～20g/min速率通入喷雾干燥器中，于进风温度为100～150℃，出风温度为75～85℃条件下，喷雾造粒，得前驱体；

[0028] 还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温60～200min后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000～1500℃条件下，高温反应3～5h，得还原石墨烯；

[0029] 纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得石墨烯电池负极材料。

[0030] 所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯中的任意一种。所述铁盐为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁、磷酸亚铁中的任意一
种。所述有机烷烃气体为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯中的任意一种。

[0031] 实施例1

[0032] 预处理氧化石墨烯：将氧化石墨烯和水按质量比为1：10混合，再加入氧化石墨烯质量1％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为40kHz条件下超声分散10min后，于温度为65℃，
搅拌转速为300r/min条件下，加热搅拌反应45min后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤
饼3次，再将洗涤后的滤饼于温度为105℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；

[0033] 准备原料：按重量份数计，依次取10份预处理氧化石墨烯，80份无水乙醇，1份硅酸酯，1份质量分数为1％的铁盐溶液；

[0034] 超声分散：将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后，于温度为25℃，超声频率为55kHz条件下，超声分散10min，待冷却至室温，得分散液；

[0035] 水解：于搅拌转速为300r/min条件下，边搅拌边将铁盐溶液以3g/min速率滴加至分散液中，待铁盐溶液滴加完毕后，继续搅拌水解反应1h，得水解液；

[0036] 前驱体：将水解液以10g/min速率通入喷雾干燥器中，于进风温度为100℃，出风温度为75℃条件下，喷雾造粒，得前驱体；

[0037] 还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至800℃，保温60min后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000℃条件下，高温反应3h，得还原石墨烯；

[0038] 纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得石墨烯电池负极材料。

[0039] 所述硅酸酯为硅酸甲酯。所述铁盐为氯化铁。所述有机烷烃气体为甲烷。

[0040] 实施例2

[0041] 预处理氧化石墨烯：将氧化石墨烯和水按质量比为1：15混合，再加入氧化石墨烯质量5％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为50kHz条件下超声分散20min后，于温度为70℃，
搅拌转速为400r/min条件下，加热搅拌反应50min后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤
饼4次，再将洗涤后的滤饼于温度为108℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；

[0042] 准备原料：按重量份数计，依次取20份预处理氧化石墨烯，100份无水乙醇，3份硅酸酯，5份质量分数为5％的铁盐溶液；

[0043] 超声分散：将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后，于温度为50℃，超声频率为60kHz条件下，超声分散50min，待冷却至室温，得分散液；

[0044] 水解：于搅拌转速为400r/min条件下，边搅拌边将铁盐溶液以4g/min速率滴加至分散液中，待铁盐溶液滴加完毕后，继续搅拌水解反应1.5h，得水解液；

[0045] 前驱体：将水解液以15g/min速率通入喷雾干燥器中，于进风温度为120℃，出风温度为80℃条件下，喷雾造粒，得前驱体；

[0046] 还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至900℃，保温100min后，再通入有机烷烃气体，于温度为1200℃条件下，高温反应4h，得还原石墨烯；

[0047] 纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得石墨烯电池负极材料。

[0048] 所述硅酸酯为硅酸乙酯。所述铁盐为硫酸铁。所述有机烷烃气体为乙烷。

[0049] 实施例3

[0050] 预处理氧化石墨烯：将氧化石墨烯和水按质量比为1：20混合，再加入氧化石墨烯质量10％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为60kHz条件下超声分散30min后，于温度为75℃，
搅拌转速为500r/min条件下，加热搅拌反应60min后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤
饼5次，再将洗涤后的滤饼于温度为110℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；

[0051] 准备原料：按重量份数计，依次取30份预处理氧化石墨烯，120份无水乙醇，5份硅酸酯，10份质量分数为10％的铁盐溶液；

[0052] 超声分散：将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后，于温度为70℃，超声频率为80kHz条件下，超声分散100min，待冷却至室温，得分散液；

[0053] 水解：于搅拌转速为500r/min条件下，边搅拌边将铁盐溶液以5g/min速率滴加至分散液中，待铁盐溶液滴加完毕后，继续搅拌水解反应2h，得水解液；

[0054] 前驱体：将水解液以20g/min速率通入喷雾干燥器中，于进风温度为150℃，出风温度为85℃条件下，喷雾造粒，得前驱体；

[0055] 还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至1000℃，保温200min后，再通入有机烷烃气体，于温度为1500℃条件下，高温反应5h，得还原石墨烯；

[0056] 纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得石墨烯电池负极材料。

[0057] 所述硅酸酯为硅酸丙酯。所述铁盐为氯化亚铁。所述有机烷烃气体为乙烯。

[0058] 对比例1

[0059] 本对比例和实施例1相比，区别在于：氧化石墨烯未经过预处理，其余条件保持不变。

[0060] 对比例2

[0061] 本对比例和实施例1相比，区别在于：未加入铁盐溶液，其余条件保持不变。

[0062] 对比例3

[0063] 本对比例和实施例1相比，区别在于：未加入硅酸酯，其余条件保持不变。

[0064] 将实施例1-3及对比例1-3所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：

[0065] 将实施例及对比例产品分别与羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶按质量比为8：0.5：0.5混合均匀，加入适量去离子水配置成浆料，均匀涂覆在直径为10mm的铜箔上制成极片，然后
将极片在80℃下真空干燥12h以去除水分在充满氩气的手套箱中，与正极、隔膜和电解液组
装成CR2032扣式半电池。将电池在电池测试系统(LAND CTR2001A)上进行恒流充放电性能
测试，首先测试产品的首次放电容量，再于电压范围为0.01-0.5V下，先以100mA/g的电流密
度下循环10周，然后在200mA/g的电流密度下循环，测试循环至100周时，电池容量衰减率。

[0066] 具体测试结果如表1所示：

[0067] 表1：产品性能测试表

[0068]   首次放电容量/mAh/g 容量保持率/％实施例1 1020 95.1
实施例2 1026 95.3
实施例3 1035 96.2
对比例1 621 81.1
对比例2 620 79.6
对比例3 445 72.1

[0069] 由表1检测结果可知，本发明所得产品具有较高的能量密度，且经过长期循环后，仍然具有较高的容量保持率。对比例1由于氧化石墨烯未经过预处理，层间结构未得以充分
扩宽，导致内部缺陷结构修复不完全，能量密度和循环性能受到影响；而对比例2由于铁盐
未引入，导致高温条件下，二氧化硅和碳的反应不充分，性能下降与对比例1接近；而对比例
3由于未引入硅，其性能下降最为明显。

[0070] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论
从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有
变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。