[发明专利]一种氮掺杂石墨烯/金属复合集流体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料合成制备领域，特别是涉及一种氮掺杂石墨烯/金属复合集流体及其制备方法。

背景技术

集流体是一种汇集电流的结构或零件，主要功能是将电池活性物质产生的电流汇集起来，提供电子通道，加快电荷转移，提高充放电库伦效率，作为集流体需要满足电导率高、机械性能好、质量轻、内阻小等特点。

目前，一般集流体正极采用铝箔、负极采用铜箔，由于金属集流体的密度较大，质量较重，一般集流体的重量占整个电池的20~25%，则电极材料占整个电池的比重大大减少，最终导致电池、超级电容器的能量密度较低。

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，其具有优良的性质，通过石墨烯制备的石墨烯薄膜的质量较轻，同时高的机械性能和高电导率也能满足集流体应用的基本性能指标，因此基于石墨烯所制备的石墨烯薄膜可充当集流体使用，并可降低集流体的质量。

目前，主要通过将石墨烯悬浮液直接过滤的方法制备石墨烯薄膜，由于其较难得到稳定的石墨烯悬浮液，导致其制备的石墨烯薄膜不够均匀，排列不规整，另外，石墨烯的理论机械强度很高，但通过过滤法制备的石墨烯薄膜的机械强度往往离理论有很大的差距。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种氮掺杂石墨烯/金属复合集流体及其制备方法，该方法工艺简单，制得的氮掺杂石墨烯/金属复合集流体机械强度高、导电性强、厚度均匀。

第一方面，本发明提供的氮掺杂石墨烯/金属复合集流体的制备方法，包括以下步骤：

（1）取氧化石墨加入到离子液体溶液中，所述氧化石墨与离子液体的质量比为1:1~5，配制成浓度为0.5~3g/L的氧化石墨离子液体混合溶液，超声0.5~3h，所述离子液体为咪唑类离子液体；

（2）向上述混合溶液中加入质量浓度为20~50%的尿素溶液，超声10~30min后，将混合溶液放入水热反应釜中，在80~150℃反应5~12h，得到稳定的氮掺杂石墨烯离子液体混合溶液，降至室温后，加入1~10mmol/L的金属盐溶液，搅拌5~60min，得到富有金属盐的氮掺杂石墨烯离子液体混合溶液；

（3）采用微孔滤膜真空过滤所述富有金属盐的氮掺杂石墨烯离子液体混合溶液，过滤完成后得到滤饼，将滤饼于40~60℃烘干，然后揭去所述滤膜，得到附有金属盐的氮掺杂石墨烯薄膜；

（4）将附有金属盐的氮掺杂石墨烯薄膜置于管式炉中，通入氩气除尽空气后，通入氩气与氢气的混合气体，在200~600℃下加热0.5~5h，还原金属离子并除去所述离子液体，即得到氮掺杂石墨烯/金属复合集流体。

步骤（1）为配制氧化石墨离子液体混合溶液的过程。

优选地，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十六烷基-3-乙基咪唑溴盐或1-十二烷基-3-甲基咪唑溴盐。

优选地，所述离子液体溶液的溶剂为去离子水、二甲基亚砜（DMSO）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）或N-甲基吡咯烷酮（NMP）。

离子液体的加入，可以作为分散剂，将氧化石墨很好地分散在溶剂中，从而有利于后续过滤操作后得到较为均匀的石墨烯薄膜。

步骤（2）为制得富有金属盐的氮掺杂石墨烯离子液体混合溶液的过程。由于氧化石墨剥离成氧化石墨烯，最后被还原成石墨烯时，一般还存在一定的含氧量，这样会导致集流体电导率的降低，当其中的氧用氮取代之后，生成的氮掺杂石墨烯，可在降低含氧量的同时，提高集流体的电导率。另外，氮掺杂后的石墨烯能与金属盐有更强的相互作用，能使所述金属盐更好地沉积在石墨烯薄膜上，进入石墨烯层间，从而有效增强石墨烯薄膜的机械强度和导电率，最终得到具有较高机械强度和高导电率的氮掺杂石墨烯/金属复合集流体，并可提高集流体的使用寿命。所述尿素溶液为掺杂氮过程所提供的氮源。

所述尿素溶液按尿素与氧化石墨的质量比为0.2~1:1加入。

所述金属盐溶液为硝酸铜、硝酸钴或硝酸镍溶液。

所述金属盐溶液按氧化石墨与金属元素的质量比为95:5~80:20加入。

步骤（3）采用微孔滤膜真空过滤（2）中所述富有金属盐的氮掺杂石墨烯离子液体混合溶液，过滤完成后得到滤饼，将滤饼于40~60℃烘干后，揭去所述滤膜，得到附有金属盐的氮掺杂石墨烯薄膜。

优选地，所述微孔滤膜为混合纤维膜、尼龙膜或醋酸纤维酯膜。

优选地，所述微孔滤膜的微孔孔径为50~200nm。