[发明专利]一种三维多孔石墨烯复合材料锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于三维多孔石墨烯复合材料泡沫领域，特别涉及一种三维多孔石墨烯复合材料锂离子电池负极材料的制备方法和应用。

背景技术

碳负极材料是现在使用最为广泛的锂离子电池负极材料。石墨化碳材料结晶度高、导电性好、具有整齐的层状结构，充电时锂离子嵌入到其层间形成锂碳化合物(理论组成为LiC₆)，因此石墨类材料的理论容量为372mAh/g。但石墨与溶刻相容性差、对电解质非常敏感等特点，导致在首次充放电过程中，在电极表面会形成一层固体电解质相界面膜(SolidElectrolyteInterface)，造成不可逆容量的损失。为进一步改善石墨材料的电化学性能，须对其进行结构改性或表面修饰处理，包括多孔化、掺杂(金属和非金属掺杂)、与金属氧化物复合、包覆聚合物裂解碳石墨等，优化石墨性能。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三维多孔石墨烯复合材料锂离子电池负极材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种三维多孔石墨烯复合材料锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将氧化石墨烯、半导体纳米粒子及聚乙烯醇溶于水中，混合均匀；

步骤二、将步骤一得到的混合物在模具中进行冷冻干燥，得到固体氧化石墨烯/半导体纳米粒子/聚乙烯醇(GO/MorMO_x/PVA)三维多孔纳米材料；

步骤三、将步骤二得到的产物进行热处理还原，恢复其导电性，得到高弹性固体氧化石墨烯/半导体纳米粒子/聚乙烯醇(r-GO/MorMO_x/PVA)三维多孔石墨烯复合材料；

步骤四、将步骤三得到的材料切成片状，作为锂离子电池的负极材料组装电池，得到石墨烯复合材料三维多孔锂离子电池负极材料。

进一步的，步骤一中，氧化石墨烯和聚乙烯醇的质量比为10:1～1:3，氧化石墨烯与半导体纳米粒子的质量比为10:1～1:3，氧化石墨烯和聚乙烯醇的总质量与水的质量比为1:1000～1:50。

进一步的，步骤一中，混合均匀的条件为：在70℃～100℃下搅拌1h～3h。

进一步的，步骤二中，所述冷冻干燥的条件为：在-190℃～-30℃冷冻12h～24h，然后在冷冻干燥机中-50℃，小于20Pa，进行升华干燥24h～72h。

进一步的，步骤三中，所述热处理还原的温度为250～600℃，升温速率为3℃/min，保温30-120min，降温随炉冷，压力在50Pa～常压之间，气氛是氩气保护。

进一步的，步骤四中，所述的材料切成厚度为1-5mm的薄片。

进一步的，所述半导体纳米粒子为单质或者氧化物。

进一步的，所述半导体纳米粒子为Sn、Si、MnO₂、Fe₃O₄、TiO₂、Co₃V₄、Mn₃O₄、SnO₂。

一种三维多孔石墨烯复合材料锂离子电池负极材料，其特征在于：该材料为由氧化石墨烯/半导体纳米粒子/聚乙烯醇组成的三维骨架，内部具有连续多孔结构，密度：0.5～100mg/cm³，孔隙率：50～99％，电导率0.11*10^3～-22*10³S/m。

本发明的原理是：