[发明专利]石墨烯/稀土氧化物纳米复合材料、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学和新能源材料领域，具体涉及一种石墨烯/稀土氧化物纳米复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

伴随着日益短缺的能源问题和环境问题的严峻，新能源材料的开发和应用成为人类社会关注的焦点，如何提高能源的利用率也成为研究的热点。在信息化社会的今天，各种耗能电子设备以及电动、混合动力汽车的发展，对其储能锂离子电池提出了更高的要求，目前传统的碳系负极材料在比容量，比能量以及循环性能等诸多方面都显得捉襟见肘，因此，开发新型的锂离子电池负极材料以满意未来相关的应用。

石墨烯是于2004年被发现的单原子层的碳原子经过sp²杂化形成的新型二维纳米材料[K. S. Novoselov, A. K. Geim, et al. Science, 2004, 306(5696): 666-669]，由于其独特的结构与性能，兴起了材料界的技术革命。石墨烯的优异导电性、较大的比表面积、优良的稳定性以及较宽的电化学窗口等特点，被认为是一种极具潜力的锂离子电池负极材料。石墨烯作为锂离子电池电极材料，Yoo等[E. J. Yoo, J. Kim, E. Hosono, et al. NanoLett., 2008, 8(8): 2277- 2282]对石墨烯材料进行了电池性能研究，发现石墨烯首次放电容量达540mAh/g，远高于比石墨容量（372 mAh/g），但经过20次循环后，可逆比容量下降到290 mAh/g。随后Wang等[G. X. Wang, X. P. Shen, J. Yao, et al. Carbon, 2009, 47(8): 2049-2053]对石墨烯的微观结构进行改变，得到首次可逆容量达650 mAh/g，经过100次循环后容量为420 mAh/g，显示出了较好的循环稳定性。由于石墨烯制备过程存在的不足，引起石墨烯片层极易团聚，从而导致了以纯石墨烯作为电极材料存在缺陷，但石墨烯可以作为一种优质的基体材料在复合电极材料中贡献更大的作用。近来，Zhou等[G. M. Zhou, D. W. Wang, F. Li, et al. Chemistry Materials, 2010, 22(18): 5306-5313] 获得复合材料金属氧化物Fe₃O₄与石墨烯，其最终的容量可达1026 mAh/g，且具有良好循环性能；Lian等[P. C. Lian, X. F. Zhu, S. Z. Liang, et al. Electrochim. Acta, 2011, 56(12): 4532-4539]制备了SnO2/石墨烯复合材料用作电极材料，经150次循环后其容量仍达1304 mAh/g；另外，Li等[B. J. Li, H. Q. Cao, J. Shao, et al. Inorg. Chem. 2011, 50(5): 1628-1632]通过水热还原法制得Co3O4/石墨烯的复合材料，材料的脱锂比容量达1120 mAh/g，30次循环后其可逆比容量仍可保持为82%。这说明石墨烯改性电极材料能较大幅度的提高锂离子电池的电化学性能。

稀土元素的特殊电子构型赋予纳米稀土材料表现出许多特性，如高比表面积，量子效应，优良的光电性以及高化学活性，能大大提升材料性能和使用范围。到目前为止，石墨烯/稀土氧化物纳米复合材料的制备方法以及用其复合材料作为锂离子电池负极材料的制备方法都未见公开报道。因此，将石墨烯与稀土材料复合获得纳米复合材料，是稀土纳米材料覆盖于石墨烯上，提高复合材料的导电性，大大改善石墨烯的团聚，从而实现电子和锂离子快速传导且能抑制材料的结构发现变化，从而实现锂离子电池的性能的提升，另外由于稀土材料的特殊性质，更加赋予石墨烯/稀土氧化物纳米复合材料其他性质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/稀土氧化物纳米复合材料、制备方法及其应用，所述的复合材料具有电化学性能以及充放电过程中的循环稳定性等优点，该复合材料及其负极材料的制备方法简单，可靠，成本低，易于大规模生产。

本发明提出的石墨烯/稀土氧化物纳米复合材料，该复合材料由纳米片层结构的石墨烯上分散着纳米级稀土氧化物粒子组成，呈层状导电网络结构，其中纳米稀土氧化物粒子的粒径为5～50nm，石墨烯片层为1～5层；复合材料中石墨烯重量百分含量为10%～50%，稀土氧化物为氧化钇或镧系氧化物中一种以上。