[发明专利]一种锂电池专用石墨烯导电浆料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯材料领域，特别是涉及一种利用射流机制备石墨烯浆料的方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov两位科学家首次利用机械剥离法发现了二维的石墨烯材料，他们因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯内的碳原子以sp²混成轨域呈蜂巢晶格而构成单层二维晶体材料，其具有独特的物理、化学性能，应用前景广阔。石墨烯材料自被发现以后，由于其优异的性能和巨大的市场应用前景引发了物理和材料科学等领域的研究热潮。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯同时具备透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域得到应用，是最有前景的先进材料之一。然而，目前高质量石墨烯的规模化制备仍然较难，因此限制了石墨烯材料的应用。

石墨烯的制备方法主要包括化学还原法、取向附生法、氧化插层再还原法、机械剥离法、液相剥离法。化学还原法可以获得高质量的石墨烯，然而产率低，对衬底要求高，转移存在极大的困难；取向附生法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性；氧化插层还原法是通过氧化石墨的剥离和还原脱氧而得到石墨烯，由于氧化会使含氧官能团和缺陷存在，还原脱氧也不可能完全去除含氧官能团，因此该方法制备的石墨烯与纯石墨烯在性能上具有一定的差别；传统机械法可制备出质量高、尺寸大的石墨烯，但制备的石墨烯材料缺陷较多，同时效率和产量较低。

中国发明专利申请号201510423274.6公开了一种石墨烯的制备方法，在可膨胀石墨及膨胀石墨的制备过程中引入增氮剂并通过氮化处理得到氮化膨胀石墨，再以氮化膨胀石墨作为原料制备氮化石墨烯，但在该过程中引入的氮化物在后期分离时较难除去，对墨烯的导电性与稳定性产生影响，限制了氮化法石墨烯作为锂离子电池浆料的应用。

中国发明专利申请号201110190763.3公开了一种射流空化法制备石墨烯的装置及方法，该方法利用加压后的石墨水溶液通过高压管进入空化发生器中，使溶液中的石墨颗粒在空化力的作用下发生片层的剥离，得到含单层和多层石墨烯的溶液，实现了石墨烯的工业化大规模生产。该方法的不足在于以水溶液为溶剂，降低了制备的石墨烯的稳定性、分散性。然而，应用于锂电池正极材料要求石墨烯浆具有良好的相容性、导电性，同时不聚沉性，要求浆体溶剂无毒环保、并具有稳定性与抗氧化。

发明内容

针对目前机械剥离制备石墨烯易造成石墨晶格破坏、石墨烯粉末的储存稳定性较差、易团聚，且耗时长、成本高、无法连续稳定大规模生产的缺陷，本发明提出了一种利用射流机制备石墨烯导电浆料的方法，采用含特殊分散剂、锂电池正极材料及有机溶剂所组成的溶液作为射流工作液，在射流机的作用下形成高速流体而从石墨晶体中剥离片层石墨烯，实现了连续稳定地制备分散均匀、性能稳定、导电性优异的石墨烯浆料，推动了石墨烯的在锂电池领域的应用。

本发明采用以下技术方案，其特征在于利用含特殊分散剂、锂电池正极材料及有机溶剂的工作溶液，以射流方式制备石墨烯浆料的方法，具体步骤如下：

（1）将分散剂、锂电池正极材料、有机溶剂以一定的比例混合并充分搅拌均匀，获得利用射流机制备石墨烯所需要的工作溶液；

（2）将块状石墨晶体固定在射流机喷嘴的工作位，固定方向为使晶体内部的石墨片层沿喷射流体方向分布；

（3）启动射流机使工作溶液形成高速流体，作用于块体石墨材料，使石墨片层剥离，并随同工作溶液回流至射流机，循环喷射，得到含有石墨烯的浆料；

（4）当石墨烯浆料浓度达到要求后，回流石墨烯浆料到储料罐，通过静置、离心方法去除石墨烯浆料中大颗粒石墨，得到石墨烯导电浆料。

所述分散剂为乙醇、丙醇、异丙醇﹑四氢呋喃、甲苯﹑二甲苯、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。

进一步，所述分散剂在工作溶液中的质量百分比为0.1%-90%，其余为锂电池正极材料与有机溶剂。

与文献报道的价格昂贵或具有一定毒性的石墨烯浆料分散剂相对比，乙醇、丙醇、异丙醇、四氢呋喃、甲苯﹑二甲苯、N-甲基吡咯烷酮具有无毒无污染、成本低的特点，更加适合于优质石墨烯浆料的工业化大规模生产。