[发明专利]石墨烯改性导电聚合物凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开石墨烯改性导电聚合物凝胶及其制备方法和应用，将氧化石墨烯置于蒸馏水中，加入植酸和苯胺并均匀分散，形成第一混合溶液；将过硫酸铵均匀分散在蒸馏水中，形成第二混合溶液；将第二混合溶液加入第一混合溶液中超声分散后，于冰水浴中静置反应，以使苯胺聚合完全形成聚苯胺，再使用硼氢化钠进行氧化石墨烯还原，在第一混合溶液中，添加Sn纳米颗粒作为纳米电极颗粒。本发明的三维导电高分子水凝胶网络做载体的纳米颗粒电极拥有较好的电子离子传输能力以及稳定的结构；此外，该电极还具有良好的重复性和稳定性，在高能量密度和超薄电池等领域具有广泛的研究前景。

技术领域

本发明属于涉及石墨烯改性导电聚合物凝胶用于新型锂离子电池负极的制备方法。

背景技术

锡基、硅基、锗基等新型负极活性材料具有高的理论容量，可满足锂离子电池对大功率、微型化和高容量的发展要求。但是，该类材料充放电过程中都存在严重的体积变化，这种体积变化会导致材料的粉化，破坏电极表面的钝化膜以及消耗电解液，严重影响电极的容量和循环性能。为了解决以上问题，实现新型电极高容量与良好循环稳定性的统一，对电极进行改性和微观结构设计就显得至关重要。

导电聚合物凝胶是同时兼具凝胶和有机导体优异性能的聚合物材料。尤其是纳米结构的导电聚合物凝胶，具有高的表面积和三维连续的导电网络，用它替代传统电极中的粘结剂和导电剂，电解质可进入其内部的微纳米孔道，有利于活性物质与电解质溶液的充分接触，相对于传统的二维薄膜具有更短的锂离子扩散路径，提高电极材料在高倍率充放电时的电化学性能，而且连通的导电网络为电子提供了快速传输通道，可实现电极材料的快速充放电性能。此外，导电聚合物凝胶具有优异的可加工性，能通过浇铸、喷涂或印刷等方式制成薄膜或其他需要的形状，这使得其在超薄柔性电极方面具有巨大的应用价值和潜力。虽然导电聚合物凝胶具有众多的优异性能，但其电导率和机械性能相对较低，会影响电极材料中电子的传输，影响电池的循环性能。基于此，需要对其进行改性，以提高它的电导率和机械稳定性。

石墨烯作为新型纳米碳材料的代表，具有优异的导电特性、高的机械强度和二维柔性结构，与电极材料相复合，可有效提高活性材料的比容量、循环寿命和高倍率放电等性能。基于以上，将石墨烯用于改性导电聚合物凝胶不仅能同时改善导电聚合物的导电性和机械强度，而且石墨烯作为柔性基体还可以吸收电极材料体积膨胀时所产生的应力，有助于增强电极材料的结构和循环稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供石墨烯改性导电聚合物凝胶及其制备方法和应用，在超薄及高能量密度锂离子电池等领域具有广泛的研究前景。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

石墨烯改性导电聚合物凝胶及其制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，将氧化石墨烯置于蒸馏水中，加入植酸和苯胺并均匀分散，形成第一混合溶液；将过硫酸铵均匀分散在蒸馏水中，形成第二混合溶液；

步骤2，将第二混合溶液加入第一混合溶液中超声分散后，于冰水浴中静置反应，以使苯胺聚合完全形成聚苯胺，与氧化石墨烯形成聚苯胺—氧化石墨烯复合凝胶；

步骤3，使用硼氢化钠将步骤2制备的聚苯胺—氧化石墨烯复合凝胶进行还原，以使氧化石墨烯还原为石墨烯；

步骤4，将步骤3制备的复合凝胶冷冻干燥即可。

在步骤1中，氧化石墨烯和苯胺的质量比为(1—8)：(5—10)，优选(3—6)：(8—10)；植酸和苯胺的体积比为(1—2)：1。

在步骤2中，静置反应时间为10—30min。

在步骤3中，相对于氧化石墨烯，硼氢化钠的用量为过量。