[发明专利]锂离子电池石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池技术领域的电极材料及其制备方法，特别是一种锂离子电池石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料及其制备方法。

背景技术

氢氧化钴在镍氢电池中已经得到广泛应用，其作为锂离子电池电极材料的前驱体也已经被广泛研究和合成，但均是要将其烧结成为钴的氧化物(CoO或Co₃O₄)，才能作为锂离子电池电极材料使用，所使用的工艺路线步骤繁琐，且耗能较大。此外尽管报道中的CoO或Co₃O₄材料具有较高的比容量，但其首次充放电效率和循环性能均有待改进，例如据文献J.Power Sources2002，109，142报道，其制备的CoO材料20次循环后的可逆容量仅为270mAh/g；文献ElectrochimicaActa 2008，53，2507所制备的Co₃O₄材料的在100mA/g的充放电电流密度下，可逆容量仅为400mAh/g。

由于氢氧化钴含有氢氧根离子的原因且本身导电率较低，目前还未有使用其作为锂离子电池电极材料的报道。

石墨烯纳米片是一种新型的纳米碳材料，以其优良的导电性、较大的比表面积、优良的稳定性、较宽的电化学窗口等特点，已被认为是一种很有潜力的锂离子电池负极材料。石墨烯纳米片的厚度在1-10纳米，具有很高的电子导电率，其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过电子在一般导体中的运动速度，且其比表面积大，使其与其他材料复合可以有效提高复合材料的导电率、增加材料与电解液之间的接触面积，并且还可以抑制锂离子嵌入脱出过程中材料的体积效应。

将石墨烯纳米片与氢氧化钴材料复合，无需进一步烧结，使石墨烯纳米片穿插于氢氧化钴颗粒之间，不仅可以有效的提高复合材料的电导率，而且可以抑制材料本身的体积效应，充分发挥两种材料的协同效应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种锂离子电池石墨烯纳米片氢氧化钴复合负极材料及其制备方法，本发明实现了充放电容量可达800mA/h以上，循环寿命长；同时要求工艺简单，加工成本低，适合工业化生产。

本发明涉及的锂离子电池石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料，该材料由石墨烯纳米片和氢氧化钴组成，石墨烯纳米片交错分布在氢氧化钴颗粒上，石墨烯纳米片的质量分数为10-90％，石墨烯纳米片的厚度为1-50纳米，氢氧化钴的粒径为0.5-30微米。

本发明还涉及锂离子电池石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料的制备方法：

以下均以质量份表示：

首先使用文献Nature Nanotechnology 2008，3，101提出的改进型Hummers法制备出石墨氧化物，然后将1份石墨氧化物分散在10-2000份的醇-水溶液或水溶液中，室温下超声处理0.5-12小时或搅拌0.5-12小时，加入0.1-9份钴盐，0.1-2份碱和0.1-1份还原剂，调节pH值为8-15，搅拌后倒入水热釜中，密封，并在60-300摄氏度下反应1小时-72小时后进行过滤、洗涤、烘干，得到锂离子电池石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料。

所述的醇为乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇或异丁醇。

所述的醇水溶液中的醇和水的体积比为1∶20至20∶1。

所述的钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴、醋酸钴、草酸钴、碘化钴或柠檬酸钴。

所述的碱为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾。

所述的还原剂为水合肼、硼氢化钠、硼氢化钾、抗坏血酸、甲醛、聚合醇或连二亚硫酸钠。

所述的石墨氧化物和钴盐在碱和还原剂的作用下，在水热釜中生成同步生成石墨烯纳米片和氢氧化钴，由于表面活化能的作用，这些纳米片很容易吸附在氢氧化钴颗粒上。

本发明优点：石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料使石墨烯纳米片和氢氧化钴具有的储锂性能的特点结合起来，充分发挥两者的协同效应，并有效避免了二者的缺点。石墨烯纳米片-氢氧化钴复合材料既具有氢氧化钴的高容量，又具有碳材料本身特有的优异的循环性能；石墨烯纳米片的加入，可以有效提高氢氧化钴的电导率，提高氢氧化钴与电解液之间的接触面积，并提高氢氧化钴的利用率，降低原料成本；钴源和其他原料的选择性宽，可以采用较低成本的硝酸钴、氢氧化钠和氨水；制备的复合材料性能稳定，作为锂离子电池负极材料，以200mAh/g的电流充放电，50次充放电后可逆比容量仍然能保持900mAh/g以上；制备工艺简单，无需烧结过程，适合工业化生产。

附图说明