[发明专利]旋转磁场排列的石墨烯锂离子电池负极复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种旋转磁场排列的石墨烯锂离子电池负极复合材料及其制备方法，所述材料包括：石墨烯、高分子材料和导电添加剂；所述石墨烯占所述复合材料质量分数的50％至95％，并在旋转磁场的作用下垂直于基板模具有序排列。本发明获得的石墨烯锂离子电池负极复合材料中二维石墨烯垂直于基板有序排列，用作锂离子电池时在电极轴向形成锂离子的快速传输通道，增大了石墨烯之间的距离，充分的发挥了其高比表面积、高载流子迁移率和高导热的优势，比普通石墨烯负极复合材料具有更优异的倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，尤其涉及一种旋转磁场排列的石墨烯锂离子电池负极复合材料及其制备方法。

背景技术

新能源汽车是新能源的主要利用手段之一，其发展能够有效的避免燃油汽车带来的污染。为了满足新能源汽车快速充放电的要求，人们迫切需求高比容量和循环稳定性的储能装置。开发高质量的锂离子电池和超级电容器作为储能器件是一个最重要的研究方向。现有电池和超级电容器的主要限制之一是离子的传输，特别是在高负载电极中高速率传输。这一缺点主要是由于离子在电极材料中缓慢扩散。电极材料的垂直结构，能够解除这种速率限制。特别在较厚的电极内尽量减少离子和电子路径的弯曲，将使锂离子电池和超级电容器能够维持较高的循环率和功率密度。

石墨烯具有独特的碳原子sp2杂化结构，单层石墨烯具有高比面积，高载流子迁移率、高电导率和高导热率等优异的性能。在能源装置、生物学和微电子技术等方面提供了潜在的应用。与其他二维功能材料一样，控制二维石墨烯在大范围内的取向是实现这类应用的必要条件。将石墨片垂直排列到集电极上，可以通过创建较短的扩散路径和暴露优先的嵌入/嵌出位置来减轻负极内载流子的传输。但是由于大板状形状的高纵横比，石墨烯垂直排列比较困难。目前，石墨烯的垂直对齐完全依赖单一的制造方法，即PECVD。这种方法能够实现对石墨烯的垂直排列。CN107742746A公开了一种PECVD技术制备厚度为的石墨烯电极。所制备少层高质量的石墨烯用作锂离子电池负极，其具有优异的倍率性能和高比容量。然而，这种方法有严重的局限性：化学气相沉积直接生长效率很低，而且因为需要高温和严格的反应环境。而且此种方法制备的石墨烯锂离子负极厚度非常有限，并不适合大规模生产。

为了解决上述问题，提高电池和超级电容器的负载量，维持较高的循环率和功率密度，专利CN109935793B公开了一种石墨烯复合锂离子电池负极材料及制备方法：通过包裹，然后粘结，最后将其石墨化得到石墨烯颗粒。由于此方法得到的电极内部颗粒朝着各个方向排列，二次颗粒结构增大了活性粒子之间的空隙，形成了良好的离子传输的通道，离子的迁移通道缩短。这种各项异性的三维结构对离子在电极中的传输十分有利，提升了石墨烯电极在大电流下的充放电性能。但是此种方法获得石墨烯电极工艺复杂，成本高，体积比容量也较低。中国发明专利CN112010343A公开了一种金属氧化物@定向排列石墨烯锂离子电池负极材料的制备方法。此专利利用冷冻干燥的方法，将石墨烯与锡盐溶液与柠檬酸的分散液在液氮中冷冻定向，然后将其退火处理。此专利获得的三维网状石墨烯负极，在较大的电流下仍能够保持比较大的比容量。但是此方法获得石墨烯金属氧化物锂离子负极在冰模板的作用下膨胀形成，导致其体积比容量较小，而且此种方法用到液氮，成本也较高，也无法做到大规模的商业化生产。因此开发高重量比容量、高体积比容量和高倍率性能锂离子电池负极材料依然是亟需解决的技术问题之一。

发明内容

本发明的内容在于克服现有技术存在的不足，提供一种旋转磁场排列的石墨烯锂离子电池负极复合材料及其制备方法，以解决石墨烯锂离子负极的倍率性能和比容量低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的旋转磁场排列的石墨烯锂离子电池负极复合材料及其制备方法的具体技术方案如下：

首先，本发明提供一种旋转磁场排列的石墨烯锂离子电池负极复合材料制备方法，包括：

S1：将石墨烯、高分子材料加入到分散剂中，得到混合分散溶液，然后利用超声将所述混合分散溶液分散均匀；