[发明专利]一种石墨烯锂复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其是涉及一种石墨烯锂复合电极材料的制备方法。

背景技术

近年来，能源储备问题一直作为科研实践的焦点备受关注。随着手机等电子产品的日益普及和电动汽车市场的良好发展，人们对清洁、高效、安全的储能装置的需求持续上升。锂离子电池自上世纪九十年代起开始进入商业化应用阶段，因具有高容量、高电压平台、环境友好等竞争优势而广泛应用于工业及商业各领域。目前，针对锂电池的科研重点主要涵盖提高容量及安全性、改善使用寿命、机械性能等方面。影响电池性能的诸多因素中，电极材料无疑是至关重要的环节。相比于现阶段较多应用的无机材料，有机电极具有明显的成本及加工优势，因此成为锂电池电极材料的理想选择。醌类化合物通常因可以进行可逆的多电子转移反应而具备较高的理论比容量。此外，原料来源丰富以及结构的可设计性灵活使其成为锂电工作者的重点研究对象之一。然而，其作为锂电池正极材料也存在以下两点主要限制因素：(1)醌类化合物分子自身导电率较低，从而导致电极材料的利用率低(2)其易溶解于传统的有机电解液中，因此容量衰减严重，循环性能不理想。在醌类化合物的改性方面，将其与导电性良好的有机/无机物进行复合，是目前众多研究者的主要方法。

在复合材料的选择中，导电聚合物是目前较流行的一类。导电聚合物，如聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等，不仅具备普通有机物低成本、易合成等常见优点，其较高的电导率使之成为颇有应用前景的无机电极替代品。此外，随着柔性电子设备的应用日益广泛，导电聚合物等具有一定强度及电导性的有机物，作为柔性基体用于研制可弯曲电池而受到人们的关注。本专利所选取的导电聚合物，不仅具备优异的导电性能和高的开路电压，并且合成工艺简便，因此是较为理想的复合材料。但当其在电极材料的充放电循环中处于还原态时，电导率极低，会对电极材料的放电性能产生不利影响。

石墨烯作为一种新型的碳纳米材料，自从2004年发现以来，一直备受关注。石墨烯具有优良的电学、热学、光学和机械性能。其优异的电导率，解决了复合电极材料中还原态聚吡咯电绝缘的问题。但其单独作为锂电池电极材料时，首次库伦效率及循环稳定性等均不理想，且其实际比容量往往受到表面状态的极大影响，因此，电极材料导电剂是石墨烯目前最主要且最有前景的应用方向。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高了复合体系的导电率，有利于提高醌类磺酸盐的容量利用率的石墨烯锂复合电极材料的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种石墨烯锂复合电极材料的制备方法，采用以下步骤：

(1)将醌类化合物与去离子水预混，常温搅拌至原料完全溶解；

(2)将氧化石墨烯与去离子水预混，常温搅拌至原料完全溶解；

(3)将上述溶液混合，通过常温搅拌至完全混合均匀；

(4)在搅拌的同时将液态导电聚合物滴入到上述混合液中；

(5)将干燥的不锈钢网作为衬底浸入步骤(4)所得的溶液中，并使体系通过恒定电流，溶液中的醌类化合物、氧化石墨烯及导电聚合物在电流的激励下相互作用并最终一起沉积于不锈钢网上，得到黑色网状电极；

(6)将黑色网状电极放入还原剂溶液中，并置于烘箱中反应30-180分钟，取出后常温静置12-48小时，即得到复合电极材料。

步骤(1)中所述的醌类化合物为菲醌磺酸盐、苯醌磺酸盐或萘醌磺酸盐中一种。

步骤(3)得到的溶液中醌类化合物与氧化石墨烯的质量比为1：(0.05-0.8)。两者的比例将对复合电极的微观形貌产生较大影响，该比例条件下倾向形成三维多孔的立体结构，这将有利于电解液与电极活性物质的充分接触及载流子的传递，从而最终促使电极材料比容量的提高。若不在此比例范围内，电极材料微观结构的比表面积较小，且可作为载流子的传输通道少，因此电化学性能不理想。

步骤(4)中所述的导电聚合物为聚噻吩、聚吡咯或聚苯胺，加入的导电聚合物与醌类化合物的质量比为(3-5)：1。两者的比例将对复合电极的微观形貌产生较大影响，该比例条件下倾向形成三维多孔的立体结构，这将有利于电解液与电极活性物质的充分接触及载流子的传递，从而最终促使电极材料比容量的提高。若不在此比例范围内，电极材料微观结构的比表面积较小，且可作为载流子的传输通道少，因此电化学性能不理想。

步骤(5)中电化学沉积的电流密度为：0.25-1mA/cm²，电沉积时间为20-120min。