[发明专利]一种石墨烯粉末的制备方法及其在锂离子电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米石墨导电材料领域，具体涉及一种低温快速制备高分散性和高导电性的石墨烯的方法及其在锂离子电池中的应用。

背景技术

石墨烯作为一种新型的碳纳米材料，自从2004年发现以来，一直备受关注。石墨烯具有优良的电学、热学、光学和机械性能，有望在电池材料、储能材料、电子器件、复合材料等领域得到广泛的应用。而石墨烯的低成本化、高效制备和分散是其广泛应用的关键技术所在。在众多石墨烯制备方法中(包括机械剥离法，化学气相沉积法，晶体外延生长法和氧化还原法等)，氧化还原法(即对石墨进行氧化制备氧化石墨/氧化石墨烯，然后进行还原制备石墨烯的方法)是最有可能大批量制备石墨烯的方法之一，对石墨烯的工业化具有重大意义。

目前，氧化还原法中使用的原料氧化石墨/氧化石墨烯的制备技术相对比较成熟，而现有还原技术主要是采用高温热还原和肼类还原剂还原氧化石墨烯制备石墨烯。美国专利US 7658901采用了1050℃的高温将氧化石墨烯进行热还原，制备了石墨烯。然而该制备方法的条件为高温，设备要求高。Ruoff等以水合肼为还原剂在水中100℃反应24小时，将氧化石墨烯还原从而制备了石墨烯(Ruoff，et al.Carbon，2007，45，1558)。然而肼类还原剂为极毒性试剂，不利于应用，而且反应时间较长。因此，寻找新型简单、温和、高效、无毒害的还原方法已经很迫切。

另外，通过高温热还原或肼类还原剂还原氧化石墨烯得到的石墨烯粉末易团聚、在溶剂中分散性差，这也是石墨烯应用的一个亟待解决的问题。Li等人通过在肼类还原剂还原氧化石墨烯过程中添加氨水，使得石墨烯带有电荷(Li，et al.Nature Nanotechnology，2008，3，101)，从而获得了在水中稳定分散的石墨烯。然而，由于是通过电荷实现稳定分散，因此只能局限于水分散体系，而且该石墨烯的水分散液干燥后和只使用肼类还原剂制备的石墨烯粉末一样，依然不能分散。专利申请号为201010286477.2的中国专利采用了酚基胺类还原剂将氧化石墨烯进行还原制得石墨烯稳定分散液，但并未制得可分散的石墨烯粉末；Liu等利用多巴胺(Liu，et al.J.Phys.Chem.C 2012，116，3334-3341)、Kaminska等利用多巴胺叠氮化物(Kaminska，et al.Appl.Mater.Interface，2012，4，1016)为还原剂将氧化石墨烯进行还原和修饰，制备出石墨烯稳定分散液和石墨烯薄膜，但也未制得可分散的石墨烯粉末；而且由于多巴胺类化合物还原能力有限，对氧化石墨烯的还原不足，得到的石墨烯导电性较差，不利于应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种简单、快速、温和、高效的石墨烯制备方法，制备出具有高导电性和高分散性的石墨烯粉末。

本发明的另外一个目的是通过使用本发明方法制备的石墨烯粉末，制备高性能锂离子电池电极。

众所周知，海洋生物“贻贝”具有超强的黏附能力，能黏附各种基材，包括最难黏结的聚四氟乙烯(PTFE)。研究表明，贻贝的超强黏附能力主要通过其分泌的一种含有邻苯二酚官能团的黏附蛋白实现的。本发明通过含邻苯二酚官能团的化合物来模拟海洋贻贝的超强黏附能力，黏附在氧化石墨烯表面；再利用连二亚硫酸钠等高效还原剂的超强还原性，在温和条件下对氧化石墨烯进行快速、高效还原，既能保证了还原充分、又能防止团聚，从而制备出高电导性、高分散性的石墨烯粉末，其粉末导电率高于1×10³Ωcm(密度为1g/cm³时)，分散在溶剂如N-甲基吡咯烷酮(NMP)中能保持稳定。

采用本发明制备的石墨烯粉末、电极活性材料、及粘合剂可以制备锂离子电池电极。由于本发明制备的石墨烯粉末具有高导电性和高分散性，石墨烯能够在电极中实现良好分散，改善电极的导电性、降低内阻，使获得高容量和大功率的高性能锂离子电池成为可能。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种制备石墨烯粉末的方法，在含邻苯二酚官能团的化合物存在下，通过使用与该化合物不同的还原剂，对氧化石墨烯进行还原。

具体包括如下步骤：第一步，制备氧化石墨烯分散液；第二步，在含邻苯二酚官能团的化合物存在下，通过与该化合物不同的高效还原剂对氧化石墨烯进行还原反应，制备石墨烯粉末。

其中，第一步的氧化石墨烯分散液制备方法：将氧化石墨膏体用溶剂稀释或将氧化石墨粉末在溶剂中分散，经超声波处理后得到氧化石墨烯分散液。