[发明专利]氧化石墨烯及复合材料的制备方法和在钠离子电池中的用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯及复合材料的制备方法和在钠离子电池中的用途,属于二次电池领域。

背景技术

近年来，锂离子电池因其具有轻质量、高电压、高容量、大功率、放电平稳、环境友好等优点，在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面展示出了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益。但是，有限的锂资源和持续升高的锂原料价格限制了锂离子电池的大规模开发。

另一方面，钠元素的储量是极为丰富的（地壳中金属元素排名第四，占总储量的2.64%），而且价格低廉，与锂元素处于同一主族，化学性质相似，电极电势也比较接近。因此，用钠取代锂得到的性能优良的钠离子电池将能解决锂电大规模储电应用的问题。为此，探寻高容量及优异循环性能的钠电极材料成为目前电池研究领域新的热点。

由于钠离子的半径比锂离子大，在锂离子电池中达到商业应用的石墨碳负极材料由于其层间距较小（0.335 nm）而不能满足钠离子的自由脱嵌，无法应用于钠离子电池中。而无序化的、层间距较大的硬碳类材料则更适合用作钠离子电池负极材料，其储钠机理主要是通过钠离子的在片层之间的脱嵌以及在硬碳中微孔中聚集的方式进行的，比容量最高可以达到300mAh/g。但是，循环稳定性仍然较差，不能满足实际应用的需要。而另一方面，将石墨进行氧化处理可以引入含氧官能团，在一定程度上能增大石墨的层间距，同时，将氧化石墨进一步超声剥离后得到单层的氧化石墨烯，则能进一步增大石墨烯层间距，同时无序排列的氧化石墨烯片层也会提供一定的孔洞位置，这些都可以为钠离子的嵌入和存储提供便利的通道，因此有望成为适合的钠离子电池负极材料。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一氧化石墨烯及复合材料的制备方法和在钠离子电池中的应用。

一种氧化石墨烯复合材料的制备方法包括静电喷雾沉积法、沉淀法、化学气相沉积法或水热法，

所述的静电喷雾沉积法为：将金属盐和氧化石墨烯按照薄膜所需组成混合，即金属盐：氧化石墨烯=（25～95）wt%:(75～5)wt%，将金属盐和氧化石墨烯的混合物溶液溶于乙醇、乙二醇、1,2-丙二醇溶剂中的一种或多种，形成浓度为0.001～0.2 mol/L的前驱体溶液，混合均匀后匀速流向喷雾针头，在5～20 kV的静电场作用下，前驱体溶液形成稳定均匀的气溶胶喷雾，沉积于加热温度为100～300 ℃的衬底上形成薄膜，将得到的薄膜在保护气氛下加热处理，得到氧化石墨烯和金属或金属氧化物复合材料；

所述的沉淀法为：将金属盐溶于去离子水中形成均匀溶液，在均匀溶液中加入氧化石墨烯后超声分散均匀，其中氧化石墨烯与金属盐的比例为金属盐：氧化石墨烯=（25～95）wt%:(75～5)wt%，之后缓慢滴加沉淀剂，沉淀剂的量由溶液中金属离子发生沉淀反应所需的物质的量计算确定,形成金属氧化物沉淀，离心烘干后得到氧化石墨烯和金属氧化物复合材料，所述的沉淀剂为氨水、氢氧化钠、碳酸钠的一种或多种；

所述的化学气相沉积法为：将金属盐和氧化石墨烯按照薄膜所需组成混合，即金属盐：氧化石墨烯=（25～95）wt%:(75～5)wt%，将金属盐和氧化石墨烯的混合物溶液溶于乙醇，形成浓度为0.001～0.2 mol/L的前驱体溶液，将该溶液作为源溶液通过脉冲喷嘴喷射至反应腔体的蒸发区域，脉冲频率为3Hz,单次脉冲喷射时间为50ms，输运速率0.5～1.5mL/min，保持蒸发区域、输运区域和衬底的温度为，将氮气作为载气通入反应室内，流量控制在200～1200sccm，体系压力保持在20～100mbar，沉积时间为60～300min，得到氧化石墨烯和金属或金属氧化物复合材料；

所述的水热法为：将摩尔比为1：0.001～1:5的金属盐与活性剂溶于去离子水中，形成均匀溶液，在均匀溶液中加入氧化石墨烯后超声分散均匀，其中氧化石墨烯与金属盐的比例为金属盐：氧化石墨烯=（25～95）wt%:(75～5)wt%，混合均匀后转移至水热反应釜中于100～300 ℃下进行水热反应，反应时间为8～30h，反应结束后离心烘干得到氧化石墨烯和金属或金属氧化物复合材料，所述的活性剂为NaOH、溴化十六烷基三甲铵、聚醋酸乙烯酯、油酸、油胺中的一种或多种；

所述方法制备的氧化石墨烯复合材料的用途是用作钠离子电池负极材料。