[发明专利]一种石墨烯材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯材料及其制备方法。

背景技术

锂离子交换电池，又称表面介导电池，是一种利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性而开发出新型储能设备。这种电池集中了锂电池和超级电容的优点，同时兼具高功率密度和高能量储存密度的特性。功率密度影响电池的充电时间，功率密度越高，能量转移率就越高，充电时间就会越短；能量储存密度影响电池的储电量，能量储存密度越大，存储的能量就越多。锂离子交换电池能量储存密度为160瓦/公斤，与商业锂离子电池相当，但它的功率密度却比商业锂离子电池高100倍，因而它可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。锂离子交换电池的高功率密度和高能量储存密度的特性，解决了目前锂离子电池发展面临的主要技术瓶颈，因而在汽车、手机、电脑、航天等各行业都具有广泛的应用前景。

锂离子交换电池的正极材料为石墨烯，其特征是具有大的比表面积和丰富的含氧官能团，大的比表面积可以为锂离子交换电池提供双电层电容和离子传输通道，含氧官能团可以为锂离子交换电池提供赝电容，因而以石墨烯为正极材料的锂离子交换电池具有更高的电容量和功率密度。作为单层碳原子结构，石墨烯的理论比表面积高达2630m²/g，然而现有锂离子交换电池的正极材料一般是通过化学氧化还原制得的，其比表面积只有900m²/g左右，含氧量约为12.9%。因此非常有必要对锂离子交换电池正极材料的石墨烯进行优化，进一步提升其比表面积，同时保留可提供赝电容的含氧官能团。

发明内容

本发明的目的在于克服现有锂离子交换电池正极材料中的石墨烯比表面积小的缺陷，提供一种石墨烯材料的制备方法，以进一步提升石墨烯材料的比表面积，同时保留其含氧官能团。本发明还提供了该制备方法制得的石墨烯材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨置于水中，超声1～5小时，制得浓度为0.1～20g/L氧化石墨烯悬浮液；

（2）配制浓度为0.1~10mol/L的氢氧化钾溶液，然后将所述氢氧化钾溶液倒入所述氧化石墨烯悬浮液中，持续搅拌直至出现凝聚；其中，所述氢氧化钾与所述氧化石墨的质量比为1～30：1；

（3）过滤步骤（2）凝聚后的氧化石墨烯悬浮液，将滤饼干燥后放入反应器中，800~1200℃下还原1~5小时，冷却后取出固体物，用去离子水洗涤后干燥，得到石墨烯粉末；

（4）将得到的石墨烯粉末置于水中，超声形成浓度为0.1～2mg/mL的石墨烯悬浮液，按石墨烯与硝酸溶液固液比为1mg：1～20mL的比例加入硝酸，在20～50℃条件下超声反应0.5～2小时；

（5）过滤经硝酸处理后的石墨烯悬浮液，将滤饼干燥后放入反应器中，在惰性气体下以500～700℃热处理0.5～3小时，冷却后经水洗、过滤、干燥，得到石墨烯材料。

优选地，步骤（1）所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为10～20g/L。

优选地，步骤（2）所述氢氧化钾溶液的浓度为5～10mol/L。

优选地，步骤（2）中所述氢氧化钾与所述氧化石墨的质量比为10～30：1。

优选地，步骤（3）与步骤（5）所述反应器为马弗炉、火化炉或石墨炉。

优选地，步骤（4）所述超声，超声时间为1～2小时。

优选地，步骤（4）所述石墨烯悬浮液的浓度为0.1～1mg/L。

优选地，步骤（4）所述硝酸按石墨烯与硝酸溶液固液比为1mg：1～5mL的比例加入。

优选地，步骤（5）所述的惰性气体为氩气、氮气、氦气、氖气或其组合。

本发明先将氧化石墨在水中超声形成片层的氧化石墨烯，氢氧化钾具有强腐蚀性，与氧化石墨烯结合后，在其片层上腐蚀出大量的微孔，提高了其比表面积，高温还原后，带有微孔的氧化石墨烯被还原，从而得到高比表面积的石墨烯；然后对石墨烯进行硝酸处理，在其中引用大量的羰基、羧基、羟基等含氧官能团，从而得到比表面积高，含氧官能团含量高的石墨烯材料。此石墨烯材料的电位为1.5~4.5V，比表面积为1320～2010m²/g，氧含量为11.2%～15.2%。制备方法操作简单、快捷，适合大批量的工业化生产。

第二方面，本发明提供了一种石墨烯材料，所述石墨烯材料是通过上述制备方法制得的。