[发明专利]锂离子电池用石墨烯/金属氧化物复合负极材料及制备

说明书

技术领域

本发明属于材料合成及能源技术领域，特别是涉及一种锂离子电池用石墨烯/金属氧化物复合负极材料及制备方法。

背景技术

伴随能源危机及环境问题日益凸显，锂离子电池作为可再生能源的新型储能器件，清洁无污染，近年来受到各国政府的高度重视，成为研究的热点之一。锂离子电池具有工作电压高，能量密度高，循环寿命长、重量轻、自放电小等优良的综合性能，近年来发展迅速，在民用、交通、电子、军事、航天航空等领域都有重要的应用。但随着人们生活的需要，尤其是锂离子电池作为将来电动汽车及混合动力汽车最有潜力的驱动能源，必然需要具有更高的能量密度、功率密度和良好的循环稳定性。电极材料是限制锂离子电池发展的关键因素之一，近年来科学家们为发展高性能负极材料(如硅，锡，氧化锡，过渡金属氧化物等)付出了极大的努力，但是这些负极材料都面临一个严重的问题就是在循环过程中由于活性物质的巨大体积膨胀和团聚导致活性材料从极片上破碎或脱落产生粉化，使活性物质失活，进而循环寿命迅速下降。为了解决存在的粉化问题并进一步提高电极材料的结构稳定性，人们提出采用纳米结构或特殊的结构设计来解决这些问题，如将这些高容量活性物质分散到碳基体中如有序中孔碳或碳纳米管中来限制其体积膨胀并进一步提高电极材料导电性。然而由于中孔碳相对大的比表面积有可能增加电解液的分解反应且这种硬模板也不适合缓冲循环过程大的体积膨胀。对于碳纳米管的中空管腔由于内表面积有限，也不利于活性材料的均匀附着和分散。碳包覆是另一种常用的表面修饰技术来限制材料的体积膨胀同时提高活性材料的导电性，然而这种紧密包覆在材料表面的碳层并不是最适合改善材料巨大体积膨胀的方法，同时活性材料表面的碳层也增加了电解液离子的扩散距离，影响了电极材料功率密度的提高。因此，利用一些柔性材料，并进行相应的结构设计，形成一种柔性包覆限制或者将活性纳米颗粒紧紧锚定在柔性基底上，将是一种克服上述问题的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池用高性能石墨烯/金属氧化物复合负极材料及制备方法，解决高容量易粉化负极材料存在的循环稳定性问题。

本发明采用的技术方案是：

一种锂离子电池用石墨烯/金属氧化物复合负极材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)石墨烯/金属氧化物前躯体盐溶液：称取一定量的石墨烯(10mg-200mg)加入到50-500ml的0.05M-1M(mol/L)的金属可溶性盐溶液中(控制石墨烯与金属氧化物的重量比例在1∶1-1∶10)超声分散0.5h-2h制成石墨烯/金属盐分散溶液；

(2)石墨烯/金属氧化物复合材料：将步骤(1)所得石墨烯/金属盐分散溶液采用液相原位聚合方法或共沉淀法制备石墨烯/金属氢氧化物后，经过300-700℃在氩气或者空气气氛下热处理2-12h获得石墨烯/金属氧化物复合物；或者，将步骤(1)所得石墨烯/金属盐分散溶液，直接由水热法在160-200℃反应6-24h制备石墨烯/金属氧化物复合负极材料。

所述石墨烯为少数层石墨烯(小于10层，其中小于5层的重量占到90％以上)，大小为500nm到60μm。

所述金属氧化物的前躯体盐可以为氯化物、硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐中的任意一种。

所述共沉淀法使用的共沉淀剂为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠中的任意一种。

所得金属氧化物均匀分布在石墨烯的表面，金属氧化物颗粒的尺寸为5nm-200nm。

所述金属氧化物为Fe₂O₃、Fe₃O₄、Co₃O₄、CoO、NiO、SnO₂、CuO、Cu₂O、TiO₂、MnO₂、V₂O₅中的一种，或者其中几种的混合物。

所得石墨烯将金属氧化物颗粒包覆起来类似三明治结构，或者均匀地将纳米颗粒紧紧锚定在石墨烯基底上。