[发明专利]一种通过废旧锂电池制备石墨烯的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及废旧锂电池的处理方法和石墨烯技术领域，具体地说，本发明涉及一种通过废旧锂电池制备石墨烯的方法。

【背景技术】

石墨烯(Graphene)是继富勒烯、碳纳米管之后一种新近为人类所认识的碳元素的同素异形体，是一种由碳原子以sp²杂化轨道成键，紧密堆积构成的二维蜂窝状晶格结构的碳材料。其独特的结构赋予了石墨烯高比表面积，优异的电学性能、光学性能和机械性能等令人瞩目的性质，使得石墨烯在分子传感器、复合材料、光电材料、能量存储等多个领域都具有广泛的应用前景。因此石墨烯的制备及其性质研究已成为近年来纳米科学研究中的热点。

石墨烯的制备方法归纳起来，主要有微机械剥离法、化学气相沉积法(CVD)、还原氧化石墨法等。其中，微机械剥离法是最早成功制备出石墨烯的方法。该方法是利用胶带的反复撕揭把石墨烯片从高定向热解石墨中分离出来(K.S.Novoselov，et al.Science，306，666(2004))；化学气相沉积法是在高温碳氢化合物(如甲烷)气氛下，使碳氢化合物中的碳沉积到过渡金属基板上从而制得石墨烯(Jessica Campos-Delgado，et al.Nano Letters，8，9(2008))；还原氧化石墨法是目前大量制备石墨烯的主要方法。该方法先将石墨氧化，然后通过剥离得到氧化石墨烯，最后将得到的氧化石墨烯通过还原得到石墨烯。上述方法虽然都能成功制得石墨烯，但仍存在制备方法复杂，成本昂贵等问题，制约了石墨烯的大量生产。

另一方面，锂离子电池自20世纪90年代开发成功以来，已广泛应用到手机、笔记本电脑、摄像机、数码相机等众多领域。近年来，全球每年废弃的锂离子电池在10亿只以上(M.Contestabile，et al.Journal of Power Sources，92，65(2001))。若不进行回收处理，不仅会造成资源的严重浪费，也会污染环境。目前，废旧锂电池的回收研究主要集中在重金属离子方面(如钴、铜、镍等)，而很少有人关注其中石墨资源的回收利用问题，废旧锂电池中的石墨及石墨层间化合物大多直接被丢弃了，这也是一种资源浪费。

针对上述问题，本发明结合锂离子电池的工作原理，提出一种通过废旧锂电池制备石墨烯的方法，既避免了废旧锂电池中石墨资源的浪费，也为制备石墨烯提供了一条新的途径。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过废旧锂电池制备石墨烯的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种石墨烯的制备方法，以废旧锂电池石墨电极上的石墨层间化合物为原料，然后剥离所述石墨层间化合物而制得石墨烯。

所述的锂电池具体分为两种，一种是锂金属电池，一种是锂离子电池。其中所述的锂金属电池是以石墨为正极，金属锂片为负极，加入电解液、隔膜制得的电池；其中所述的锂离子电池是以充电过程中主体结构不或很少发生变化，且不与电解液发生反应的锂嵌入化合物为正极，石墨为负极，加入电解质、隔膜制得的电池。

所述的废旧锂电池是指使用过而废弃的锂电池，对于废旧锂电池中已含有锂-石墨层间化合物的情况，直接取出其中的锂-石墨层间化合物，也可以继续嵌锂得到所需阶数的锂-石墨层间化合物；对于废旧锂电池中不含有锂-石墨层间化合物的情况，可对其中的石墨先进行嵌锂操作，制得锂-石墨层间化合物，再取出使用。具体来说，对于锂金属电池是嵌锂操作对其进行放电操作，对于锂离子电池嵌锂操作是对其进行充电操作。

所述的剥离石墨层间化合物的方法选自下列方法中的一种、两种或两种以上的组合：机械剥离、剥离剂剥离、电解剥离。

所述的机械剥离为对石墨层间化合物施用使其弯曲、凹陷，刮擦、压入或折断的力，从而剥离出石墨烯的方法。机械剥离的实例可以是利用胶带反复撕揭石墨层间化合物，使其变薄，从而得到石墨烯。也可以是利用原子力显微镜(AFM)的无针尖探针刮擦固定着的石墨层间化合物，取得刮下的薄片继续前述步骤，最终得到石墨烯。也可以是利用球磨机对分散于有机溶剂中的石墨层间化合物粉末进行球磨，从而得到石墨烯。使用机械剥离不会在所得石墨烯上引入杂原子，但是所得石墨烯形状不规则，且制备过程耗时较长。

所述的电解剥离插入金属熔融盐为电解质，以石墨为电极形成化学体系，石墨层间化合物作为阳极，通过调节电位、电量的控制使电解生成的金属继续插入石墨层间化合物层间从而剥离制得石墨烯。使用电解剥离可以大规模制备石墨烯，但是所得石墨烯上会留有杂质，例如金属盐。且整个反应过程需要较高的温度，对反应环境要求较为苛刻。