[发明专利]一种石墨烯包覆锂离子电池石墨负极材料的方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种石墨烯包覆锂离子电池石墨负极材料的方法及其应用。

背景技术

锂离子电池作为一种新兴电源已于70年代进入实用化，因其具有能量密度高、电池电压高、储存寿命长等优点，已广泛应用于各种便携式电子产品和电动工具上，尤其是在电动汽车（EV）和混合电动汽车（HEV）电源方面起着重要的作用。

负极材料是锂离子电池的关键材料之一，而碳质材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电池负极的材料，至今仍受到广泛关注．碳质材料主要具有以下优点：比容量高(200～400mAh/g)，电极电位低，循环效率高(>95％)，循环寿命长。目前研究较多的碳质负极材料有石墨、中间相炭微球(MCMB)、高比容量炭化物、石油焦等。这些碳质材料各有其优缺点，近年来，随着对碳质材料研究的不断深入，已经发现可以通过对各类碳质材料进行结构调整，如形成纳米级孔结构、进行表面修饰与改性处理、或者掺杂处理。可使得锂在其中的嵌入/脱嵌不仅可按化学计量LiC₆进行，而且还有非化学计量的嵌入/脱嵌，从而使碳质材料比容量超过石墨的理论值372mAhg，达到700g～1000mAh/g。同时，采用纳米碳质材料，作为锂离子电池负极材料已成为一个新的研究热点。但是因为纳米碳质材料的来源及制备方法不同。结构有很大差异而导致其嵌锂容量及嵌锂机理上会有很大不同。

石墨烯是构成其它碳材料结构的基本单元，石墨烯包裹可以形成零维的富勒烯，蜷曲可以形成一维的碳纳米管，叠加可以形成三维的石墨。石墨烯材料的理论比表面积高达2600m²/g，具有突出的导热性能和极限强度，以及室温下高速的电子迁移率，这些优良的性质使其在储能方面具有非常大的发展前景。但是作为一种新兴材料石墨烯自身团聚问题一直无法很好的解决。

目前商业化的石墨负极材料，具有较高取向的层状结构，对电解液敏感，与溶剂相容性较差；石墨负极材料的大电流充放电能力比较低，导致动力性能较差。同时，由于石墨层间距小于锂插入石墨层后形成的石墨层间化合物Li_xC₆的晶面层间距(d₀₀₂=0.37nm)，在充放电循环过程中，石墨层间距变化较大；而且还会发生锂与有机溶剂共同插入石墨层间以及有机溶剂的进一步分解。容易造成石墨层逐步剥落、石墨颗粒发生崩裂和粉化，从而降低负极材料循环寿命。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种石墨烯包覆的锂离子石墨负极材料的制备方法。该方法简单易行，耗能低，环境友好，成本低，包覆效果良好，适宜大批量的工业化生产。

一种石墨烯包覆锂离子电池石墨负极材料的方法，包括如下步骤：

（1）将石墨超声分散于溶剂中，得到石墨悬浮液；

（2）将氧化石墨超声溶解于溶剂中，得到氧化石墨烯溶液；

（3）按氧化石墨烯与石墨的质量比为（0.01～0.3）：1，将氧化石墨烯溶液加入石墨悬浮液，超声混匀，然后除去溶剂，得到干燥的固体粉末；

（4）在惰性气氛下，步骤（3）所得的固体粉末于600～1000℃处理1～4h，冷却即得到石墨烯包覆的锂离子电池石墨负极材料。

进一步，步骤（1）和/或步骤（2）所述的溶剂为水、乙醇和/或丙酮。

进一步，步骤（3）除去溶剂的过程包括：过滤、干燥；或者，蒸发、干燥；或者喷雾干燥。

进一步，步骤（4）所述惰性气氛为氮气、氩气和/或氦气。

进一步，步骤（4）中，温度以1～3℃/min的速度升至600～1000℃。

依上述方法得到的材料作为锂离子电池负极材料时无需加入任何导电剂，而且循环性能十分优良，首次效率达90%。

本发明的主要优点是：

1、氧化石墨烯在高温下脱除含氧基团，无需要另加还原剂，不会引入任何金属离子，使产物保持非常高的纯净度；

2、能有效地将石墨烯层包覆在石墨负极材料的表面，包覆效果良好；

3、本发明所得的材料用作为锂离子电池负极材料时无需添加导电剂，而且循环性能十分优良，首次效率达90%以上；

4、本发明方法工艺简单，条件温和，工艺参数易控，耗能低，对环境友好，有利于工业化大规模生产。

附图说明

图1为实施例1所得材料的扫描电镜图片。

图2为实施例1所得材料作为锂离子电池负极材料的首次充放电曲线，电压范围为0.005～2.000V，0.1C。