[发明专利]一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种石墨烯‑氮掺杂碳管锂电池电极材料，该电极材料是一种石墨烯和氮掺杂碳管的复合材料。该石墨烯和氮掺杂碳管的复合材料的制备方法包含如下步骤：（1）通过改进的Hummers法制备氧化石墨烯；（2）配置氧化石墨烯水溶液；（3）通过模板法制备聚吡咯管；（4）将聚吡咯管加入氧化石墨烯溶液，进行水热反应；（5）将反应产物洗涤、冷冻后冻干；（6）将冻干后的产物退火，得到石墨烯‑氮掺杂碳管锂电池电极材料。该石墨烯‑氮掺杂碳管锂电池电极材料具有容量较高、循环稳定性好、倍率性能优异。

技术领域

本发明涉及新能源领域，具体是一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有开路电压高、能量密度高、使用寿命长、安全性优越、环境友好、自放电小等优点，而被认为是现代材料和新能源科学的经典能源。随着智能手机等电子器件向便携化、小型化和多功能化的发展, 特别是移动通讯时代的到来，迫切需要高能量、环境友好的新型高能电池。因此开发更高质量和安全性好的锂离子电池是解决能源与环境问题的关键。

石墨烯作为锂离子负极材料具有非常优异的电子导电性和导热性，前者保证了良好的电子传输通道，而后者确保了材料的稳定性；同时用于电极的石墨烯材料的二维尺寸可达纳米级别，使得锂离子在其中的迁移距离非常短，有助于提高电池的功率性能；高的理论比表面积，良好的机械性能。这些特点都使石墨烯成为锂离子电池负极材料的首先研究材料。

但作为锂离子电池负极材料，石墨烯很容易由于范德华力再重新堆积到一起，影响锂离子在石墨烯中的传输，进而导致石墨烯的倍率性能下降。另外，单纯的碳材料的储锂机制单一，容量上限比较低。

发明内容

针对以上技术问题，本发明的目的是提供一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料及其制备方法，以解决上述存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料，是石墨烯和氮掺杂碳管的复合材料。

一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料，制备方法包含如下步骤：

（1）通过改进的Hummers法制备氧化石墨烯；

（2）配置氧化石墨烯水溶液；

（3）通过模板法制备聚吡咯管；

（4）将聚吡咯管加入氧化石墨烯溶液，进行水热反应；

（5）将反应产物洗涤、冷冻后冻干；

（6）将冻干后的产物退火，得到石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料。

一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料，步骤（2）中所述氧化石墨烯水溶液浓度为2-8mg/mL。

一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料，步骤（3）中所述模板为甲基橙。

一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料，步骤（4）中投料比为1质量份的石墨烯与0.5-5质量份的聚吡咯管，所述水热反应温度为160-200℃，反应时间为12-24h。

一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料，步骤（5）中所述洗涤为采用去离子水浸泡。

一种石墨烯-氮掺杂碳管锂电池电极材料，步骤（6）所述退火为在氩气气氛中，600-800℃下反应2-3h。

本发明具有如下有益效果：

（1）具有较高的容量：石墨烯两面均可以为锂离子提供嵌入位点，同时氮掺杂带来的缺陷可以带来额外的活性位点，使得电极具有较高的容量。

（2）循环稳定性好：整个电极材料都属于稳定的碳材料，在锂离子嵌入脱出的过程中体积变化很小，使得电极具有很长的寿命。