[发明专利]一种石墨烯负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯负极材料及其制备方法。本发明的石墨烯负极材料的制备方法包括以下步骤：步骤S1、制备预处理氧化石墨烯；步骤S2、向溶剂中加入所述预处理氧化石墨烯、硼源和纳米颗粒，反应，喷雾造粒，得到硼、纳米颗粒掺杂氧化石墨烯粉末；步骤S3、对所述硼、纳米颗粒掺杂氧化石墨烯粉末进行还原处理，即得石墨烯负极材料；其中所述纳米颗粒选自纳米锗和纳米锡中的至少一种。采用本发明制备方法得到的石墨烯负极材料比容量高，可以达到1100mA·h/g，且经过200次循环后容量保持率大于95％，其在电池领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及储能材料技术领域，尤其是涉及一种石墨烯负极材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构的二维材料，其具有高迁移率、优异的柔韧性、良好的结构和电化学稳定性等特性，在锂离子电池材料方面具有广泛的应用前景。然而在实际应用中石墨烯作为电极材料仍存在一定的缺陷，如由于石墨烯的惰性，其与锂之间的相互作用较差，储能性能不佳。

相关技术中，为了增强石墨烯和锂之间的相互作用，研究人员通常在石墨烯上进行功能修饰，例如引入缺陷或官能团，这虽然在一定程度上提高了锂的存储容量，然而经修饰后的石墨烯材料电池在循环过程中的稳定性较低。

因此，亟需寻求一种存储容量高、循环性能好的石墨烯负极材料及其制备方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种石墨烯负极材料及其制备方法，其具有高比容量和优异的循环性能。

本发明还提出了一种上述石墨烯负极材料在制备锂离子电池中的应用。

本发明的第一方面，提供一种石墨烯负极材料的制备方法，包括以下制备步骤：

步骤S1、制备预处理氧化石墨烯；

步骤S2、向溶剂中加入所述预处理氧化石墨烯、硼源和纳米颗粒，反应，喷雾造粒，得到硼、纳米颗粒掺杂氧化石墨烯粉末；

步骤S3、将所述硼、纳米颗粒掺杂氧化石墨烯粉末进行还原处理，即得石墨烯负极材料；

其中所述纳米颗粒选自纳米锗和纳米锡中的至少一种。

根据本发明实施例的制备，至少具有如下有益效果：

(1)在本发明的石墨烯负极材料的制备方法中，首先通过对氧化石墨烯原材料进行预处理，提高石墨烯片层间距，有利于后续硼源、纳米锗颗粒或纳米锡颗粒的均匀掺杂；其次，本发明为了提高纳米颗粒(纳米锗或纳米锡)在石墨烯中的吸附稳定性，同时进行了硼掺杂处理，由于硼掺杂过程中石墨烯中的C原子被硼原子替代形成硼替位掺杂体系，而硼比C原子少一个电子，引入了空穴，这在一定程度上促进了纳米锗或纳米锡的吸附。此外，由于硼的掺杂引入了空穴，硼掺杂石墨烯体系的费米能级向下移到价带区域，成为p型掺杂，体系表现出金属性，因此硼的掺杂在一定程度上还能够提高体系的导电性。

(2)在本发明的石墨烯负极材料的制备方法中，锗或锡以纳米材料的形式掺杂有助于提高其循环稳定性。纳米化的锗或锡比表面积大，可以有效降低锗在充放电过程中的膨胀所带来的绝对应力大小，因而能有效减少活性物质的破碎，提高稳定效果；其次，纳米化的锗或锡的粒径小，有利于提高材料在充放电过程中的动力学行为，提高整体的倍率性能。

(3)本发明的石墨烯负极材料制备方法简单，适合工业化生产。

在本发明的一些实施方式中，所述制备预处理氧化石墨烯的方法包括：配制氧化石墨烯水溶液，超声分散，然后加入乙醇，反应后固液分离，收集固相，干燥后即得。

在本发明的一些实施方式中，所述氧化石墨烯水溶液的质量浓度为0.2～0.5mg/mL。