[发明专利]单层和多层石墨烯层在溶液中的稳定分散体

说明书

技术领域

本发明涉及导电碳质材料及其制造的领域，尤其是涉及适用于可充电锂离子电池的材料。

背景技术

术语石墨烯(graphene)是指具有6个碳原子的sp²-杂化环的一个原子厚的平面薄片。完美的石墨烯仅由六角形蜂巢组成。圆柱形的石墨烯层被称为碳纳米管。在讨论石墨中的单层的特性时，也可以使用术语石墨烯。这些特性分别为例如反应活性、或发生的反应、或结构关系。

石墨烯层可以通过适当的磨蚀、机械剥离或化学气相沉积来制备。这些方法中的一种是所谓的透明胶带法(Scotch-Tape-Method)[10]。在该方法中，从石墨晶体上移取单个层并转移至样品架。

近来，公开了一种化学气相沉积法，其中在能够生成石墨烯层之前，必须用薄的Ni层涂覆SiO₂/Si基底，并且该涂覆后的基底必须经受特定的气体处理。为了制造能够涂覆其它基底的石墨烯层，必须将Ni或SiO₂层溶解。这种石墨烯薄膜具有非常好的电性能、光性能和机械性能(例如弯曲)[9]。

另一种方法是将碳化硅加热至高温(1100℃)而将其还原为石墨烯。该过程制造的层的范围取决于所用SiC基底的尺寸，并且由于昂贵的原料而非常昂贵，而且因为所需的高温而在使用中受到限制。

石墨烯与大多数固体非常不同。石墨烯表现为半金属或“零能级”半导体，并在室温下具有非常高的电子移动性。

文献中记载了碳质材料(例如石墨、石墨烯或碳纳米管)的水分散体。已公开了由优选粒度分别为1μm至50μm或100μm的石墨制造的、通过各种分散剂稳定的石墨水分散体(参见如US 5,476,580和WO2007/031055)。石墨可分散在水中，分别最高达到20重量％或达到70重量％。

例如，通过用分散助剂聚乙二醇稳定化[1]或通过碳纳米管的化学官能化[2]，能获得纳米管含量为2％的碳纳米管分散体。

WO 2008/048295记载了通过聚合物涂覆而使石墨烯层在溶剂中稳定的方法。获得了约0.065重量％的石墨烯基材料。通过使用水合肼还原分散的氧化石墨，可提供胶态石墨烯分散体。

Dan Li等[3]提出可以通过氨使水溶液在静电上稳定，生成石墨烯含量为约0.015重量％的石墨烯基材料。Dan Li等还用水合肼还原氧化石墨分散体制备了胶态石墨烯分散体。现有技术水平中公开的使用水合肼还原所造成的C/O比率低于13.5，这意味着最多约80％的氧被除去[4，5，6]。

另一种将氧化石墨还原的方法是热还原法。根据所期望的制造条件、纯度条件和还原条件，氧化石墨粉末的热还原在温度一直到约200℃时是缓慢的，然后就变得剧烈[7]。由于生成了CO、CO₂和水，在该温度下的还原导致了约65％的氧、10％的碳和大部分的氢被除去。加热至更高的温度导致了持续的进一步还原。为了除去约90％的氧，需要约1000℃的温度。这样制造的石墨材料不能再分散于水中形成胶态分散体。

发明内容

因此，本发明的一般目的是提供制造石墨烯(graphene)在溶液中的稳定胶态分散体、尤其是无需任何分散剂的胶态石墨烯分散体的方法。

本发明的另一目的是提供单层和多层石墨烯(multi-graphene)层的稳定分散体。

本发明的另一目的是提供这种石墨烯分散体的用途。

本发明的进一步的目的是提供多层石墨烯(multi-graphene)，其具有提高的插层性质，可以例如有利地用于可充电锂离子电池中的电极的制造。

现在，为了实现本发明的这些目的和其它目的(这些目的在描述过程中将变得更加清楚)，通过特征来表征制造胶态石墨烯(graphene)分散体的方法，该方法包括下述步骤：

(i)将氧化石墨分散于分散介质中，以形成胶态氧化石墨烯或氧化石墨分散体，

(ii)将分散态的氧化石墨烯或氧化石墨热还原。

在本发明的范围内，涉及分散体的术语按如下含义使用：

分散体是两相体系，由在分散介质中的分散相组成，其中分散相在分散介质中被很细地分开。

分散相是指固体，任选地为胶态相。

分散介质被用作连续相和液相的同义词。由于分散介质是已知为溶剂的物质或物质的混合物，因此也用术语溶剂或溶剂相表示。分散介质还可以包括添加剂和助剂如分散剂。

分散剂是有助于使分散体稳定的物质，例如防止分散相的絮凝和/或聚集的物质，例如表面活性剂。在本文中，分散剂也用术语分散试剂、分散助剂表示。