[发明专利]一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新一代能源存储领域，特别涉及一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法。

背景技术

当今随着信息技术的发展，笔记本电脑、手提电话、数码相机、蓝牙通讯电器等移动电子器件与设备(包括野战通讯设备)对高能量密度、高电压二次电池的要求越来越高，使二次电池成为当前新能源发展的重要方向之一，而锂离子二次电池由于具有比能量高、使用寿命长、无公害、无记忆效应、容量大、重量轻等一系列优点，从众多二次电池中脱颖而出，成为二次电源中研究的热点。

纳米级的粒子具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，展现出许多特有的性质，在超级电容器领域有广阔的应用。纳米粒子由于存在较大的比表面积，容易发生局部团聚，严重制约了其性能。石墨烯由于具有超高的导电率和比表面积及良好的化学稳定性，自其于2004年被发现一来，便引起了全球的研究热潮。石墨烯制备的常用方法为氧化还原法。氧化后的石墨烯，其表面存在大量的含氧基团，为其他粒子的结合提供了有效位点，这种结合可以有阻止纳米粒子的团聚。但是，常规制备石墨烯复合材料的方法过程复杂，制备周期长，而且通过直接在溶液中通过加还原剂的方法还原氧化石墨烯往往会发生不可逆的团聚，这种团聚严重影响了石墨烯及其复合材料的性能 (Huang, Y., et al., Small, 2012.8:1805)。

现有的制备石墨烯复合材料的技术中，专利CN 102176382 A公布了一种石墨烯-量子点复合薄膜的制备方法，该方法包括制备氧化石墨烯、氧化石墨烯-量子点混合、还原、抽滤、固定、烘干、融掉滤膜等步骤，这种方法步骤繁琐，周期长。专利CN 102175729 A 公布了一种功能化石墨烯与纳米粒子层层组装的方法制备石墨烯复合材料，其步骤包括制备小分子的复合物、小分子与石墨烯复合、固定在电极上、重复上述步骤制备多层复合材料，这种方法石墨烯需要进行功能化，这个过程比较复杂，不具有普适性；在制备多层复合材料的时候需要重复进行复合和固定，操作复杂，周期长。专利102185155 A 提供了一种纳米磷酸铁中空球/石墨烯复合从材料的制备方法，该方法采用水热反应，能耗较高。并且该方法制备好复合材料后，要加入导电剂、粘结剂制成浆料。这种方法不仅复杂，而且粘结剂的使用会增加材料的电阻、使活性物质的有效表面积减小，从而导致容量降低。专利 102214816 A提供了一种制备锂离子电池用硫化钨-石墨烯复合材料电极的制备方法，这种方法采用250~290℃水热反应，耗能高。而且制备好活性材料后要加入导电剂、粘结剂制成浆料。这种方法不仅复杂，而且粘结剂的使用会增加材料的电阻、使活性物质的有效表面积减小，从而导致容量降低。 因此，研究人员都在寻在一种简单有效的方法制备无团聚的的石墨烯及其复合材料。本文中通过一步法，采用静电喷雾沉积技术将石墨烯与活性材料直接喷在集流体上。该方法简单、有效、节能、环保、普适，具有很高的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法。本发明采用静电喷雾沉积技术制备出直接负载在集流体上的氧化石墨烯/活性材料复合薄膜，再在高温氩氢气下把氧化石墨烯还原为石墨烯。这种方法能有效解决常规石墨烯制备过程中的团聚、复合材料与基底结合不牢固、常规复合材料导电性差、易粉化、充放电体积变化大和循环性能差的问题。

本发明提供了一种锂离子电池用石墨烯基电极材料的制备方法，包括以下步骤;

（1）清洗集流体，放在加热板上。

（2）将20~50mg氧化石墨烯的水溶液、40~500mg活性材料分散于2~5ml水、5~20ml乙醇、10~40ml乙二醇、10~40ml丙二醇的混合溶液，搅拌超声、均匀后转移至注射器中。注射器与基板间加10~20kV的高压静电场，以3~15ml/h的推进速度进液，加热板加热温度在200~300℃。

（3）将负载氧化石墨烯-活性材料的集流体在氩氢气下300~700℃煅烧，得到石墨烯-活性材料/集流体复合材料。

本发明有以下增益效果:

1.针对常规制备石墨烯基复合材料过程中，石墨烯容易团聚的缺点。本发明采用经典喷雾沉积技术制备石墨烯基复合材料薄膜，氧化石墨在还原、干燥的过程中，在电极上自组装成多孔结构，防止了石墨烯的团聚。这种简单、高效的制备方法具有很高的应用价值。