[发明专利]一种石墨烯材料及其电极材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯材料的制备方法，具体涉及一种卤化物插层多孔型石墨烯材料及其制备方法，以及其主要在锂离子电池电极材料上的应用。

背景技术

石墨烯，二维sp²杂化的碳，是当今研究最多的材料。它是单原子层厚度的碳原子排列成蜂巢状，成为世界上最薄，最硬，最韧的材料，而且是热和电的优良导体。早在2004年被分离出后，许多研究表明这种单原子层的碳材料独特地结合了优越的机械强度，显示出高的电子和热导率、高表面区和抗渗性气体，除此之外还有许多其他的理想的特性，所有这些性能都使其成为极具吸引力的应用。它被认为是富勒烯、碳纳米管(CNT)、石墨的基本结构单元，因其力学、量子和电学性质特殊，颇受物理和材料学界重视。

最常见的石墨烯制备方法包括石墨的微机械或化学剥离，化学气相沉积，氧化石墨烯的还原，和氟化石墨烯等。然而，虽然有各种各样的石墨烯的制备方法，但在高品质、经济、安全等方面，尚未有方法可以兼顾。一般来说，用于制备石墨烯的技术都是基于物理方法、化学方法或两者结合的。虽然物理方法能够生产持续的高品质石墨烯，但产生的石墨烯数量有限且价格昂贵。相反，化学氧化石墨得到氧化石墨烯经过还原可得到大量还原的氧化石墨，但还原的氧化石墨烯有很多缺陷，其质量比物理法得到的石墨烯差很多。

本发明采用卤化物插层石墨，扩大石墨烯层间距以利于剥离，制备条件温和，石墨氧化程度极低，得到的石墨烯缺陷少品质高，可保持石墨烯的各种优异的性能。除此之外，还并可通过控制层数来保留插入石墨层间的卤化物，发挥其独特性能。虽然，此前已有用卤化物插层石墨为产物剥离石墨烯的相关方法，也有在多层石墨烯中插入卤化物的研究，但尚未有直接剥离卤化物插层石墨复合物来制备卤化物插层石墨烯的发明公布。本发明解决了高品质石墨烯难制备和无水卤化物在空气中难以稳定存在的问题，用一步法制得了卤化物插层多孔型石墨烯材料，同时避免了传统方法中的氧化还原反应，大大提高的石墨烯结构的完整性，减少了缺陷程度。并且，根据不同的反应时间可得到不同层数的石墨烯，实现石墨烯的层数可控。除此之外，本方法制备简单，原料价廉，设备易得，危险系数低。

本发明可广泛用于锂离子可逆电池电极材料、能源材料、导电材料、导热材料等的制备领域。在锂电池、超级电容器、储氢、催化、导电、导热等方面有优异的性能和良好的应用前景。卤化物插层多孔型石墨烯在电化学方面有良好的应用，卤化物平铺于石墨烯的夹层间不仅可以增大化合物的结构稳定程度还可以避免由于活性物质在电化学反应时产生的体积膨胀而引起的容量衰减。除此之外，石墨烯上密集的多孔结构，增多了原子传输的通道，有利于电化学反应时锂离子的快速嵌入和脱嵌，使卤化物插层多孔型石墨烯电极电池具有良好的循环特性和大电流特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯材料，其含有石墨烯片和卤化物，在石墨烯片层间插入卤化物，所述卤化物颗粒呈单层均匀平铺于所述石墨烯片层间。本发明可通过控制反应条件来制备不同层数不同尺寸的石墨烯及多孔石墨烯，该石墨烯材料品质高，缺陷低，并具有成本低，条件温和，工艺简单，易于大规模生产等特点。

本发明采用如下技术方案：一种石墨烯材料的制备方法，以卤化物插层石墨化合物为原料，在溶剂中超声剥离制备石墨烯材料。

该制备方法具体包括以下步骤：

（1）将卤化物和石墨一起置于不锈钢反应釜中，加热至300~400℃，保温1~12小时，得到卤化物插层石墨化合物；

（2）将卤化物插层石墨化合物粉体加入到有机溶剂中，在冰浴条件下，对溶液进行细胞破碎超声处理，得到卤化物插层石墨烯的分散液；

（3）将卤化物插层石墨烯的分散液进行抽滤，洗涤，然后在70-100℃下干燥6-18小时后，得到卤化物插层多孔型石墨烯材料粉体。

在本发明的优选实施方案中，卤化物插层石墨化合物采用熔盐插层方法、气相插层、液相插层或电化学插层来制备。

在本发明的优选实施方案中，反应配比中卤化物与石墨的质量反应配比为1：1~4：1。不同的配比得到的卤化物插层石墨复合物阶数也不同，卤化物插层石墨复合物的阶数控制为1阶、2阶或3阶等等，卤化物插层石墨复合物的阶数不同，得到的石墨烯层数也不同，石墨烯层中的卤化物含量也有区别。

在本发明的优选实施方案中，步骤（1）中的石墨为鳞片石墨，其目数为可为3000、1000、500、300和100目等。