[发明专利]一种石墨烯/ZnO/聚苯胺复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯/ZnO/聚苯胺复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着能源危机及环境污染问题日趋严重，开发和利用可再生绿色能源已成为人类社会所面临的重大课题。锂离子电池作为新型绿色能源，是国家能源战略发展的重要方向。随着经济增长，锂离子电池的市场需求，特别是高性能、高安全性的锂离子电池的市场需求将会逐年增大。锂离子电池负极材料作为锂电池的四大关键材料之一，其性能高低直接决定了锂电池的电池容量、安全性能、工作适宜温度范围等综合性能。目前，商业化的锂离子电池石墨负极材料因其较低的理论比容量已经越来越不能满足人们的需求。

在锂离子电池负极材料中，过渡金属氧化物具有较高的可逆比容量，因而受到了人们越来越多的重视。其中ZnO相比于其它金属氧化物来说，具有原料价格低、容易制备、化学稳定性好等独特的优势。然而单独ZnO作为锂离子电池负极材料因为其电导率较低，而且在嵌锂—脱锂过程中体积变化大，所以导致锂离子电池比容量低，循环性能差。为解决这一问题，现在主要的方法有制备特殊结构的纳米ZnO，制备混合金属氧化物以及制备ZnO—碳复合材料。这些方法在一定程度上提高了ZnO的电导率，但是仍未有效降低ZnO的体积变化效应。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种石墨烯/ZnO/聚苯胺复合材料及其制备方法和应用，该方法操作简便易行，可重复性强，成本低，所制备的石墨烯/ZnO/聚苯胺复合材料作为锂离子电池负极材料有效的降低了金属氧化物在充放电过程中的体积变化效应，提高了锂离子电池负极材料的的循环稳定性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种石墨烯/ZnO/聚苯胺复合材料，以质量百分比计，包括14.3～17.4%的石墨烯、65.2～71.4%的ZnO以及14.3～17.4%的聚苯胺。

一种石墨烯/ZnO/聚苯胺复合材料的制备方法，包括以下操作步骤：

1）石墨烯/ZnO复合材料的制备：

将氧化石墨加入到去离子水中，超声处理形成均匀的氧化石墨烯分散液；将Zn(NO₃)₂·6H₂O加入到氧化石墨烯分散液中，超声处理至混合均匀，并调节pH值至9～11，得到溶液A，将溶液A转移至反应釜中，在170～190℃下反应7～12h；反应结束后，冷却至室温，并过滤得到滤饼，然后分别用去离子水和乙醇对滤饼进行清洗，清洗后干燥研磨，得到石墨烯/ZnO的固体粉末；其中，所加入的氧化石墨和Zn(NO₃)₂·6H₂O的质量比为（50～150）：（100～300）；

2）石墨烯/ZnO/聚苯胺复合材料的制备：

将石墨烯/ZnO固体粉末加入到pH值为3～5的去离子水中，超声处理至混合均匀，得到溶液B，将溶液B放置于冰浴中，在保护气体的保护下加入苯胺，搅拌均匀后滴加浓度为0.3～14mg/ml的引发剂溶液，反应6～9h；反应结束后，分别用去离子水和乙醇对反应产物进行清洗，清洗后干燥，得到石墨烯/ZnO/聚苯胺固体粉末；其中，所加入的石墨烯/ZnO固体粉末和苯胺的质量比为（50～150）：（50～100），每加入50～100mg的苯胺需要滴加10ml的引发剂溶液。

所述步骤1）中用氨水调节pH值至9～11。

所述步骤1）中，反应釜为50ml不锈钢反应釜。

所述步骤1）中的干燥采用真空干燥，真空干燥温度为60℃～90℃，真空干燥的时间为12～14h。

所述步骤2）中pH值为3-5的去离子水是用盐酸调节其pH值至3～5得到的。

所述步骤2）中保护气体为氮气或氩气。

所述步骤2）中引发剂溶液为(NH₄)₂S₂O₈水溶液、FeCl₃水溶液或双氧水。

所述步骤2）中的干燥采用真空干燥，真空干燥的温度为60～90℃，真空干燥时间为10～12h。

一种石墨烯/ZnO/聚苯胺复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：