[发明专利]一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO₂复合电极的方法。

背景技术

自2004年发现以来，石墨烯(Graphene)作为一种新型的二维纳米材料，以其独特的纳米结构以及优异的电学、磁学、光学和力学性能受到广泛地关注。与其它碳单质材料相似，石墨烯很难作为单一的材料来应用，但通过与其它材料进行复合，可以得到石墨烯复合材料，在半导体、生物医学、催化、电化学、储能和传感器等诸多领域有着广泛的应用前进。其中石墨烯/SnO₂复合材料以其性能良好、价格低廉、容易制备等优势，成为了新型锂离子电池负极材料、电化学传感器、电化学催化等领域的研究热点。

传统的石墨烯/SnO₂复合材料的制备方法较为繁琐，目前普遍采用的制备工艺是水热合成结合干燥和煅烧的工艺。由于水热合成的技术限制，原材料不能够充分的利用，制备过程中产生大量的废液，不仅浪费严重且容易污染环境；而后续的干燥煅烧过程耗时、耗能，在一定程度上阻碍了这类高性能的负极材料的规模化应用。此后，复合材料还需要被制备成电极，这个过程需要将复合材料和一定比例的粘结剂、导电剂和有机溶剂混合，调制成浆料并涂刷在铜箔等金属箔片表面，通过干燥、压实制成极板。粘结剂的加入可能造成电池内阻增加、电池性能下降、批次间不稳定等的问题；而干燥过程有机溶剂挥发可能会造成的环境污染，因此电极的制备工艺也亟需升级换代。

近年来，由激光引发的前驱体转化化学反应，由于能量可控性好、重复性好、绿色环保等优点，也成为了制备各种纳米材料的研究热点。同时，前驱体直接转化以及无粘结剂电极的提出，使快速、绿色、低成本的制备高性能石墨烯/SnO₂复合材料电极提供了可行性。

发明内容

本发明的目的在于是针对现有技术的不足，提供一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO₂复合电极的方法。本发明采用振镜式光纤激光器，在通有保护气的环境下对预涂敷在铜箔片上的氧化石墨烯和SnO₂溶胶混合物前驱体进行辐照。通过激光引发的光化学反应，使前驱体原位转化为石墨烯/SnO₂复合材料，实现一步法制备石墨烯/SnO₂纳米复合材料电极。同时，本发明研究了激光工艺参数与复合材料微观结构之间的关系，使石墨烯/SnO₂复合材料及其电极实现绿色可控制备。采用该方法获得的无粘结剂石墨烯/SnO₂复合电极在作为锂电池的负极材料使用时，表现出了良好的循环性能和比容量，进一步证明了该发明方案的可行性。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO₂复合电极的方法，包括如下步骤：

A.将氧化石墨烯和SnO₂溶胶混合制成前驱体溶胶，并将溶胶均匀涂布在铜箔表面，置于真空干燥箱内烘干；其中氧化石墨烯与SnO₂溶胶的质量比为1:8～1:10。

作为优选，步骤A中的SnO₂溶胶采用二氯化锡作为前驱体，配制成透明澄清的溶胶溶液。

作为优选，步骤A中的先驱体溶胶在涂布前需加入适量的稀释剂；其中稀释剂包括乙醇、乙醇胺等亲水性溶剂。

作为优选，铜箔表面的涂布层重量在1～2mg/cm²。

B.根据前驱体向石墨烯/SnO₂纳米复合材料转变的物性参数(可以是反应温度、反应激活能、反应时间等)选择激光能量密度参考值，通过激光能量密度参考值选择激光器，设置激光工艺参数，所述的激光工艺参数包括激光波长、激光功率、激光相对扫描速度和聚集光斑直径；采用激光器辐照扫描预制箔片，对转变产物的特征进行测试、分析，以获取石墨烯/SnO₂纳米复合材料的最佳激光工艺参数，同时通保护气体以防止石墨烯氧化，达到原位生成石墨烯/SnO₂纳米复合材料电极的目的。