[发明专利]一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法，是将Si‑B‑Co共掺杂氧化石墨烯、碳纤维‑石英纤维复合纤维按照质量比1：0.1～0.2加入对甲苯磺酸水溶液中，加热，快速加入正硅酸乙酯，边搅拌边缓慢滴加甲苯，得到凝胶体，老化，还原，冷冻干燥，即得所述的一种高能石墨烯电池负极材料。本发明以Si‑B‑Co共掺杂氧化石墨烯、碳纤维‑石英纤维复合纤维为原料，进行凝胶化处理，产生丰富的孔洞结构，提供更多储锂位置，所得负极材料中掺杂石墨烯微观个体之间通过复合纤维形成桥接网络结构，为锂离子提供更多扩散通道，实现锂离子的快速嵌入和脱嵌，增强锂离子在负极材料中的扩散速度，故所得负极材料具有较高的首次库伦效率，且循环性能佳。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，特别地，涉及一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法。

背景技术

随着经济发展和社会进步，能源需求越来越大，煤炭、石油和天然气等矿物能源的存量锐减，已经不能满足人类社会发展，而且，化石能源属于不可再生能源，化石能源的日益衰竭是无法逆转的，也是未来发展不可回避的一大挑战。同时，化石能源也是环境污染的一大元凶，因此，如何提高能源使用率和开发利用可再生能源已经成为各国政府和科研人员的共同目标。目前研究较多的是用化学电源替代传统的化石能源，其能够有效缓解能源问题及环境污染问题，其中，二次电源的发展有效推进了化学电源的发展。

锂离子电池属于二次充电电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动工作，在充放电过程中，锂离子在正极和负极之间往返嵌入和脱嵌。锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、工作温度范围宽、快速充电、自放电率低和安全可靠等优点，已经成为现代通讯和便携式电子产品等的理想化学电源。

目前商业化的锂离子电池普遍采用石墨材料作为负极，它的理论比容量仅为372mAh/g，且在快速充放电过程中存在石墨层剥落现象，导致明显的容量衰减。而且，在快速充放电过程中容易产生锂枝晶现象，这些因素都严重制约了在动力锂离子电池中的应用。因此，采用其他材料代替石墨负极是目前锂离子电池的研究重点和难点所在。

近年来石墨烯作为一种新型的碳负极材料越来越受到人们的广泛关注，利用石墨烯的高比表面积，对其进行适当的排列组装，就可以增大其表面储锂的有效位置和密度，这是因为石墨烯并不是层叠状堆积在一起的，故其两侧可以同时吸附锂，其理论的储锂能力远高于同质量的石墨，故石墨烯基电池具有巨大的应用前景。但是，石墨烯从实验室走向商业化应用还有很多问题需要解决，特别是石墨烯的首次库伦效率低，会大幅提高正极材料的用量，进而提高整个电池的成本。而且，石墨烯之间由于范德华力作用容易发生堆积或团聚等问题，增大离子传导路径，影响石墨烯作为负极材料的循环性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法，以解决现有的石墨烯材料首次库伦效率低、循环性能差等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高能石墨烯电池负极材料的制备方法，是将Si-B-Co共掺杂氧化石墨烯、碳纤维-石英纤维复合纤维按照质量比1：0.1～0.2加入对甲苯磺酸水溶液中，加热，快速加入正硅酸乙酯，边搅拌边缓慢滴加甲苯，得到凝胶体，老化，还原，冷冻干燥，即得所述的一种高能石墨烯电池负极材料；所述Si-B-Co共掺杂氧化石墨烯是将纳米硅粉、硼酸、六水合硝酸钴加入氧化石墨烯分散液中，惰性气氛和超声波振荡条件下，500～600℃加热10～12小时，后处理即得，其中，纳米硅粉、硼酸、六水合硝酸钴与氧化石墨烯分散液中所含氧化石墨烯的摩尔比为0.03～0.04：0.06～0.07：0.02～0.03：1；所述碳纤维-石英纤维复合纤维是碳纤维与石英纤维以质量比1：0.3～0.4经细编穿刺、高温烧结而得。

优选的，加热温度为40～50℃，Si-B-Co共掺杂氧化石墨烯、对甲苯磺酸水溶液、正硅酸乙酯、甲苯的质量比为1：8～10：3～4：0.6～0.8，对甲苯磺酸水溶液的质量浓度为65％。