[发明专利]锂离子电池碳包覆石墨烯复合材料制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及新能源材料与电化学研究领域，具体涉及一种石墨烯复合材料制备方法及其应用。

背景技术

近来，核/壳纳米结构如金属氧化物/碳、导电聚合物/碳、金属氧化物/金属氮化物等复合材料已被广泛用于研究。核/壳材料复合是指单层或多层的有机或无机材料包覆在有机或无机核颗粒的周围，这是提高该核颗粒的稳定性和表面化学性能的有效方式，而且可以达到不可能从一种材料上获得的独一无二的物理化学特性。核/壳材料的优异性能与它们独一无二的结构相关，核颗粒的性能随着包覆在核颗粒周围的壳的变化显著改善，这是利用核/壳材料的协同效应以及两者相互作用会产生多重功效的特性，克服各自绝大多数的缺陷并发挥两者的优势。所以，核/壳材料已被用作新的电极材料，广泛用于锂离子电池和超级电容器等储能器件。

自2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆（Andre K.Geim）等发现了单层石墨烯以来，它在力学、热学、电学、光学等方面的优异性能，使之成为近年来电子、化学、生物、材料科学等领域，尤其是新能源领域的研究热点。石墨烯以其良好的导电性和较高的电子迁移率，低的热膨胀系数以及大的比表面积等而被认为是理想的电极材料。但是，单一的石墨烯材料用作电极材料，受到诸多因素的限制，如石墨烯比表面过大（理论值2630m²/g），片层之间容易团聚，大大提高了不可逆容量损失（较低的首次库仑效率（<73%））并降低了其作为电极材料电导率，从而给电极制片工艺方面带来不良影响。特别是，单一的石墨烯电极材料在大倍率充放电时，容量衰减太快。

目前，碳材料尤其是聚合物的碳化成为了研究热点。碳前驱物例如聚吡咯、聚吡咯烷酮、聚丙烯氰、聚苯胺、三聚氰胺等含氮聚合物已经广泛被用于制备功能化氮的碳材料。导电聚合物已经被认为是锂离子电池和氧化还原超级电容器最具有潜力的电极材料之一，由于其具有廉价易得、质量轻、高电导率和成型加工性好等优点，成为与石墨烯材料复合的研究热点之一。本发明正是基于上述背景而进行的发明创造。

发明内容

本发明目的在于提供一种高倍率和长寿命、制备工艺简单，实验重现性好的用于锂离子电池负极材料的碳包覆石墨烯复合材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种碳包覆石墨烯复合材料制备方法，它包括如下步骤：

（1）聚合物包覆氧化石墨或石墨烯的制备：将氧化石墨或石墨烯分散在稀酸溶液中，向所述溶液中加入不同量的聚合物单体并持续搅拌，再将聚合物引发剂缓慢加入使之发生聚合反应，用去离子水和乙醇对聚合反应生成的聚合物包覆氧化石墨或石墨烯交替清洗数次后进行真空干燥；

（2）碳包覆石墨烯复合材料的制成：将步骤（1）中制得的聚合物包覆氧化石墨或石墨烯研磨后置于流动的保护气体中加热进行高温热还原和碳化反应，加热温度为250℃—950℃，反应时间为0.2—20小时，最后在流动的保护气体中降至室温即可获得所述的碳包覆石墨烯复合材料。

根据上述技术方案所进一步优化和变换的方式为：

步骤（1）中，

所述的氧化石墨或石墨烯采用改进的Hummers法制得。

所述的聚合物单体为苯胺、吡咯、吡咯烷酮、噻吩、苯乙烯、丙烯氰中的一种。

所述的氧化石墨或石墨烯与聚合物单体的质量比为1:0.02~1:5。

所述的聚合反应中，反应温度维持在0~5℃，反应时间维持4~6小时。

步骤（2）中，

所述的加热是在管式炉中通入流动保护气体加热，或者直接在箱式电阻炉或马弗炉中加热。

所述的保护气体为氩气、氮气、氦气中的一种或几种惰性气体，或者为氩气、氮气、氢气中的一种或几种惰性气体与氢气的混合气体。

在所述的混合气体中，所述的惰性气体和氢气混合气的纯度≥99.99%，且氢气在混合气体中的含量为0.1~99.9%。