[发明专利]一种石墨烯基复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯基复合负极材料及其制备方法，属于锂离子电池领域。

背景技术

随着市场对电动汽车续航里程要求的提高，要求锂离子电池具有更高的能量密度、安全性能及其倍率性能。而负极材料是组成锂离子电池的关键材料，其性能的优劣对锂离子电池的能量密度、循环性能、倍率性能及其安全性能起到重要作用。而目前市场化的锂离子电池负极材料主要以石墨类材料为主，但是其材料存在克容量偏低(372mAh/g)，层间距小造成其倍率性能和安全性能偏差。虽然研究者通过采用硅基、锡基材料替换目前的石墨类材料，但是存在膨胀率高、首次效率偏低等缺陷，限制其应用。石墨烯是近几年发展起来的一种新型材料，属于无定形碳材料，其具有导电率高、充电容量大等优点，但是同时存在首次效率低、松散密度小(0.3-0.5g/cm³)及其比表面大等缺陷，限制其在负极材料领域的具体使用。

现有技术中通过对石墨烯改性来拓宽石墨烯的性能和应用，其中与聚合物复合便是常用的改性手段之一。授权公告号为CN101831130B的发明专利公开了石墨烯表面接枝聚乙烯吡咯烷酮的方法，并具体公开了将氧化石墨烯水溶液与聚乙烯吡咯烷酮通过还原剂进行反应实现复合。但该方法仍存在诸多不足，最主要的其比容量较低，振实密度低，结构不稳定，在锂电池的负极材料应用方面大大受限。

发明内容

本发明的在于提供一种石墨烯基复合负极材料的制备方法，通过该方法制备的石墨烯基复合负极材料比容量高，结构稳定，电化学性能优异，在锂离子电池负极材料应用领域具有广阔的前景。

本发明的另一个目的在于提供一种由制备方法制得的石墨烯基复合负极材料。

为了实现上述目的，本发明的石墨烯基复合负极材料的制备方法，包括：

(1)向氧化石墨烯分散液中依次加入双氧水、氮掺杂剂以及硅酸酯，得混合液；

(2)将步骤(1)中的混合液进行水热反应，然后固液分离，所得固体干燥，压片，惰性气体氛围中碳化，得掺氮石墨烯与二氧化硅的复合材料；

(3)将步骤(2)中所得掺氮石墨烯与二氧化硅复合材料加入到聚乙烯吡咯烷酮和导电高分子聚合物的混合液中，加入还原剂，在50-120℃条件下反应1-6h，制得石墨烯基复合负极材料。

上述步骤(1)中双氧水中的过氧化氢的质量分数为1～30％。

上述氧化石墨烯分散液与双氧水的体积比为100:0.1～1。

上述步骤(1)中氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的浓度为5～20mg/mL。

上述步骤(1)中各组分之间混合均匀。

上述氮掺杂剂、硅酸酯与氧化石墨烯中氧化石墨烯的质量比为：1～2:10～20:20～60。

上述硅酸酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯、正硅酸丁酯、正硅酸四甲酯或正硅酸四乙酯中的一种。

上述氮掺杂剂为吡咯、三聚氰胺、尿素、苯胺中的一种。

上述水热反应是在高压反应釜中进行。

上述步骤(2)中的水热反应条件为：加热温度150～180℃，反应时间4～8小时。

上述惰性气体氛围为氩气氛围。

上述步骤(2)中的碳化条件为：以升温速率为5～8℃/min升温到850℃并保温2～3h。

或者上述步骤(2)中的碳化条件为：以升温速率为3～5℃/min升温到550℃保温0.5～2h，之后以升温速率为5～8℃/min升温到850℃并保温2～3h。

上述步骤(3)中聚乙烯吡咯烷酮和导电高分子聚合物的混合液，由聚乙烯吡咯烷酮溶液和导电高分子聚合物溶液混合而得。

上述聚乙烯吡咯烷酮溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为0.1～10％。

上述导电高分子聚合物溶液中导电高分子聚合物的质量分数为0.1～10％。

上述步骤(3)中聚乙烯吡咯烷酮、导电高分子聚合物、还原剂、掺氮石墨烯与二氧化硅复合材料的质量比为(0.1～5)(0.1～5)：(1～10)：100。

上述的还原剂为乙二醇。