[发明专利]一种氮掺杂石墨烯膜与多孔碳一体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯膜与多孔碳一体材料的制备方法。

技术背景

能源是世界发展和人类社会进步的基础。随着科学技术高速地发展，石油、煤、天然气等传统能源未来存在枯竭危险，同时包括空气、土壤、地下水等地球生态资源严重污染等问题给人类社会带来巨大挑战，寻找和开发清洁新能源代替传统能源已刻不容缓，具有可移动特点的电化学电池作为替代者之一得到学术界与工业界的广泛的关注。与其他二次电池相比，锂离子电池具有巨大优势，其主要表现如下：(ⅰ)输出电压高(3.6V)，有利于实现电池的集成化、小型化、轻便化；(ⅱ)循环寿命长(通常可达几千次以上)，远超其他二次电池；(ⅲ)比能量高，质量比能量目前已达到100Wh·kg^-1～200Wh·kg^-1，远高于其他二次电池；(ⅳ)自放电小、体积小、重量轻、环保，无记忆效应。锂离子电池在在手机、平板电脑、数码相机等各种各样的电子产品得到了越来越广泛的应用，近年来电动汽车的大力开发和快速发展，锂离子动力电池的需求量急剧增长。航空航天等领域也在寻找无污染、可再生的能源动力支持。在巨大应用背景下锂离子电池得到了很多电池生产企业和汽车企业的一致认可，使其成为目前各国研发的热点之一。但是目前锂离子电池的能量密度与功率密度还不能满足经济与工业高速发展对高能量密度与功率密度的电池器件的需求，为解决这一问题，需要研发新材料进一步提高锂离子电池正负极材料的能量密度与功率密度。以石墨为代表的碳负极材料成为锂离子电池负极材料已经非常成熟，石墨的理论比容量为372mAh·g^-1，导电性良好，循环效率高，嵌锂电位低，资源丰富，成本相对低廉，制备过程比较简单，已经得到了广泛的商业化应用。但是石墨负极容量受限制于其相对低的理论容量和商用石墨负极的自身微观结构，其还很难满足未来高能量密度电池对负极材料的需要，同时动力电池需要负极材料高速充放电的需求也是石墨负极难于实现的，开发新的具有高的功率密度与能量密度的碳质负极材料具有广阔的未来应用前景。

发明内容

本发明是为了解决目前锂离子电池的石墨负极功率密度与能量密度低的技术问题，，而提供一种氮掺杂石墨烯膜与多孔碳一体材料的制备方法。

本发明的一种氮掺杂石墨烯膜与多孔碳一体材料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、制备前驱体：将商业滤膜剪裁成4cm×4cm的矩形，用酒精清洗后在温度为60℃的条件下烘干2h，得到干净的滤膜；将商业铜箔剪裁成10cm×5cm的矩形，用酒精清洗后在温度为60℃的条件下烘干2h，得到干净的铜箔；将一片干净的滤膜置于两片干净的铜箔中间且干净的滤膜紧贴于干净的铜箔，得到三明治结构的材料，将三明治结构的材料置于两块石英块夹具中间且铜箔紧贴于石英块，得到氮掺杂石墨烯膜和多孔碳一体材料的碳化前驱体；所述的商业滤膜的孔径为0.45μm～0.8μm；所述的商业铜箔的厚度为8μm；所述的石英块夹具的尺寸为长10cm、宽5cm、厚1cm；

二、退火：将步骤一得到的氮掺杂石墨烯膜和多孔碳一体材料的碳化前驱体在温度为800℃～1000℃和氩气保护的条件下退火2h，在集流体铜箔上得到氮掺杂石墨烯膜与多孔碳一体材料。

本发明原理：本发明中的微孔滤膜在高温下退火过程中，有机组分碳化时，部分碳原子以气态形式挥发，这些碳原子在铜箔的催化作用下在铜箔基底上成核生长，最后在铜箔上形成大面积的石墨烯，这与国际上通用的利用CH₄为碳源，利用CVD的方法合成石墨烯原理类似，但是利用CVD制备石墨烯对装置的气密性、退火温度、保护气体流量等参数有要求严格；本发明是利用固体的碳源(商业滤膜)获得石墨烯，操作简单，退火温度要求低，且除了部分挥发的碳原子在铜箔表面获得石墨烯外，另一部分碳原子碳化过程中被固定下来形成了多空碳结构，这主要是因为微孔滤膜中的孔道同时起到了一个模板的作用，此外微孔滤膜中自身含有丰富的氮元素，碳化过程中氮元素同时与碳形成六元环或五元环进而掺杂到滤膜碳化后的产物中，本发明利用石英块的自重产生一个压力来制备氮掺杂石墨烯膜和多孔炭一体电极。本发明通过非常简单的一步退火即可获得了有氮元素掺杂的石墨烯与多空碳复杂一体结构。

本发明优点：

一、本发明利用大面积的石墨烯与多孔碳的一体材料的结构优势及氮元素掺杂的策略，二者形成协同效应，制备高性能的新型纯碳锂离子电池负极材料，本发明除了作为锂离子电池负极材料外，还可作为正负极材料的导电粘附层，以及在催化、锂空气电池、散热涂层等方面都将有巨大的应用前景。