[发明专利]石墨烯粉末及其制备方法以及含有石墨烯粉末的电化学器件在锂二次电池的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高分散性和高导电性的石墨烯粉末及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体，从2004年被发现以来，倍受关注。石墨烯具有优良的电学、热学、光学和机械性能，因此人们期待其在电池材料、储能材料、电子器件、复合材料等领域能得到广泛的应用。英国曼彻斯特大学的两位教授由于他们在石墨烯方面的研究成果而获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯的制备方法有机械剥离法、化学气相沉积法、外延晶体生长法、氧化还原法等。在上述方法中，前三种方法工艺复杂，而且生产率低，因此很难大量生产。另一方面，氧化还原法具有易于大量生产及化学修饰的特征，因此广受注目。

目前，氧化还原法的研究主要集中在通过热还原法或者使用还原剂(例如：肼类物质、或其它有机物质)来使氧化石墨烯还原，由此制备石墨烯。

该热还原法是通过在1050℃进行氧化石墨烯的热还原来制备石墨烯(专利文献1)。但是，热还原法需要高温反应，因而需要较高的设备费用。

用还原剂还原来制备石墨烯的一个公知例是以水合肼为还原剂，在水中100℃反应24小时，使氧化石墨还原，制备石墨烯(非专利文献1)。但是，肼类还原剂为极毒性试剂，不利于工业应用，且反应时间较长。因此，需要寻找新型简单、高效、低毒害的还原法。

另一方面，另一制备石墨烯的公知例，是通过使用含有氨基基团的有机物质，例如尿素作为还原剂，来去除氧化石墨表面的含氧基团，制备石墨烯(专利文献2)。这种反应体系具有较低的毒性，但是，尿素作为有机物质，其反应活性较低，因此氧化石墨的还原不充分。

此外，在这样制备得到的石墨烯的性能方面，由热还原法制备得到的石墨烯(非专利文献2)具有高结晶性、在片层方向上易出现片层的层叠，也易导致团聚。此外，通过使用肼类还原剂而制备的石墨烯具有氮元素掺杂的构造，从而导致导电性降低的问题存在。

与上述制备方法不同，不经过氧化石墨而制备石墨烯的方法也有报道。例如：通过快速加热石墨层间化合物，使得石墨层间化合物的片层剥离，形成石墨烯(非专利文献3)。但是，通过此方法制备得到的石墨烯由于未经过氧化石墨的过程，因此官能团较少，在溶剂或树脂中不易分散，容易团聚。

此外，通过CVD在基材上制备石墨烯的技术也是周知的。但是，得到的石墨烯不是粉末状，而是薄膜状的。即使将由此技术制备得到的石墨烯制成粉末状，由于几乎不含有氧原子，所以也是容易团聚的。

现有技术文件

专利文献

专利文献1：美国专利No.7658901

专利文献2：中国专利申请No.201010108326.8

非专利文献

非专利文献1：Ruoff，et al.CaRbon，2007，45，1558

非专利文献2：Yang D.，et al.CaRbon，2009，47，145

非专利文献3：KalaItzIdou K.，et al.ComposItes：PaRt A，2009，38，1675

发明内容

发明解决的问题

本发明的第一个目的是，获得高分散性和高导电率的石墨烯粉末。

本发明的第二个目的是，提供一种快速、低成本、反应条件温和的制备方法，以解决现有技术中的问题。

本发明的第三个目的是，提供高性能电化学器件，例如，具有高容量和大功率输出的锂二次电池。

解决的课题

本发明的石墨烯粉末具有含微量的含氧官能团及极少的氮原子的构造。

此外，本发明的石墨烯粉末制备方法是，用连二亚硫酸盐作为还原剂，去除氧化石墨表面的含氧基团，制备具有高分散性和高导电性的石墨烯粉末。

再者，本发明的石墨烯粉末具有高分散性和高导电率，有利于制备具有高容量和大功率输出的高性能锂二次电池。

本发明包括：

(1)一种石墨烯粉末，其特征在于，氧原子与碳原子的元素比率为0.07～0.13，氮原子与碳原子的元素比率不大于0.01。

(2)上述(1)所述的石墨烯粉末，其特征在于，由拉曼光谱法测得的I_D峰值强度与I_G峰值强度的比值为1～2；

(3)上述(1)所述的石墨烯粉末，其特征在于，由拉曼光谱法测得的I_2D峰值强度与I_G峰值强度的比值为0.1～0.2；