[发明专利]石墨烯泡沫-氧化镍复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯泡沫‑氧化镍复合电极材料及其制备方法，属于锂离子电池领域。包括如下具体步骤：通过化学气相沉积法制备石墨烯包裹的镍泡沫，刻蚀去除金属镍后得到石墨烯泡沫；配置镍盐、均苯三甲酸和聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液，与制备的石墨烯泡沫进行溶剂热反应，得到石墨烯泡沫‑镍基金属有机骨架复合材料，再将其进行高温煅烧制得石墨烯泡沫‑氧化镍复合材料。本发明制备的材料用于锂离子电池负极时，表现出大的比容量、高的循环稳定性和良好的倍率性能。本发明的制备工艺简单可靠，成本低廉，制备过程环保，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种石墨烯泡沫-氧化镍复合电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长和快速充放电等优点，成为当前一种很有发展潜力的能源存储器件。金属氧化物如NiO、Co₃O₄、Fe₂O₃、MnO₂和CuO等由于具有较高的比容量，被广泛应用于锂离子电池的电极材料使用。近年来，金属有机骨架材料因其比表面大、孔隙丰富、易于合成等特点，在电化学领域中表现出很好的应用前景，已有大量文献报道了采用金属有机骨架材料作为前驱体来制备组成与形貌各异的金属氧化物。然而，这些氧化物在电化学循环过程中导电性差、容易团聚、粉化和体积膨胀等问题，严重影响了其广泛应用。因此，构筑大比容量、长循环寿命和高倍率性能的锂离子电池电极材料在能源研究领域中显得尤为重要。

三维石墨烯（如石墨烯泡沫、石墨烯气凝胶）具有比表面积高、导电性好、电化学和机械性能优异等特点，成为目前电化学领域中的一个研究热点，并展现出了广阔的应用前景。近期，基于三维石墨烯为导电载体的各种复合材料已被成功制备出，这些材料在锂电、超电、传感器和电催化等电化学方面表现出了优异的性能。但如何将金属有机骨架衍生的金属氧化物与三维石墨烯相结合，以提高金属氧化物本身的锂电性能，目前尚无有关的成熟技术。

发明内容

本发明的目的在于解决充放电过程中金属氧化物导电性差、容易团聚、粉化和体积膨胀等技术问题而提供一种石墨烯泡沫-氧化镍复合电极材料，使其作为锂离子电池负极材料时，具有大的比容量、好的循环稳定性和高的倍率性能。

本发明的石墨烯泡沫-氧化镍复合电极材料的制备方法，按以下步骤完成：

1）制备石墨烯泡沫：

通过化学气相沉积法在泡沫镍上沉积石墨烯：将泡沫镍（1 cm × 1 cm）置于管式炉中，同时通入体积比为1:16:40的CH₄、H₂和Ar混合气体，然后升温至1000 ℃~1100 ℃并在此温度保温后；冷却至室温，得到石墨烯包覆的泡沫镍，再将其置于氯化铁和盐酸的混合溶液中浸泡12 h~24 h，取出后用去离子水清洗，干燥，制得石墨烯泡沫。

2）制备石墨烯泡沫-镍基金属有机骨架复合材料：

以体积比1:1:1的水、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，配制镍盐、均苯三甲酸和聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液；将上述混合溶液与步骤1）中所制备的石墨烯泡沫一起置于反应釜中进行溶剂热反应，镍盐与石墨烯泡沫的质量比为350:1~700:1，所得产物用去离子水清洗，干燥，制得石墨烯泡沫-镍基金属有机骨架复合材料。

3）制备石墨烯泡沫-氧化镍复合材料：

将步骤2）中所制备的石墨烯泡沫-镍基金属有机骨架复合材料进行高温煅烧，煅烧温度为300~400 ℃，煅烧后自然冷却至室温制得石墨烯泡沫-氧化镍复合材料。

步骤1）所述的升温速率为5 ℃/min~10 ℃/min，保温时间为10~30 min，降温速率为100 ℃/min~200 ℃/min。