[发明专利]一种石墨烯/磷酸氢锆复合材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种石墨烯/磷酸氢锆复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电池由于具有工作电压高、能量密度高、无记忆效应的优点而被广泛应用于摄像机、手机、笔记本电脑等小型移动电子产品领域，而且在动力电及储能电池池等领域 也表现出令人瞩目的发展前景。但随着能源危机的加剧和便携式电子设备及电力汽车的快 速增长，目前商业化锂离子电池石墨负极材料已不能满足其人们的需求。

2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，通过简单的机械剥离方法成功地从石墨中分离出可单独存在的二维碳物质——石墨烯，并对其性质进行了测量和表征，显示其优越的物理性能，从而开创了石墨烯研究的序幕。两位科学家也因此获得2010年诺贝尔物理学奖。作为继富勒烯、碳纳米管之后最新形态的碳纳米材料，石墨烯自被报道以来，由于具有一系列新奇的物理化学性质，如超快的电荷迁移速度、巨大的比表面积和超高的机械强度等，被广泛用于超级电容器、电催化等电化学领域。

磷酸氢锆与石墨烯复合不仅可以提高电池的导电性、改善其体积膨胀效应，同时也具有良好的储锂能力，能够增加复合材料的比容量。与其他碳材料相比，石墨烯具有比表面积大、机械强度高、导电性好等优点，对SnO₂、FeSb₂等材料的研究表明，通过石墨烯的引入能够有效提高其电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种石墨烯/磷酸氢锆复合材料的制备方法及其应用。利用本发明制备的磷酸氢锆与石墨烯复合材料作为锂电池的负极材料，能够克服电池材料导电性差、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、导电性强的特点；本方法具有操作简单、可重复性高的特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种石墨烯/磷酸氢锆复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）取0.0080-0.0800g 的氧化石墨烯加入到80ml溶剂中，将混合物放入超声频率为40kHz的超声波清洗仪中进行超声处理0.5-3h，获得氧化石墨烯分散液；

（2）取0.0020-0.3000g 的磷酸氢锆加入到步骤（1）制得的氧化石墨烯分散液中，搅拌均匀；

（3）将步骤（2）所得混合溶液转移到100ml水热反应釜中，在温度为80-180℃的条件下反应2-10h，反应结束待自然降至室温，然后进行真空干燥处理；

（4）将步骤（3）所得复合材料在惰性气氛下进行煅烧处理，煅烧结束后冷却至室温，即制得所述石墨烯/磷酸氢锆复合材料。

步骤（1）所述溶剂为去离子水、无水乙醇、乙二醇和二乙二醇中任意一种。

步骤（3）所述真空干燥处理为在温度为60-100℃条件下，真空干燥8-16h。

步骤（4）所述惰性气氛为Ar或N₂气氛。

步骤（4）所述煅烧处理过程为：以2-10℃/m in 的升温速率进行升温，升温至300-800℃，煅烧1-10h。

上述方法制得的石墨烯/磷酸氢锆复合材料用于锂电池的负极材料。

本发明的工作原理为：

本发明采用溶剂热法制备石墨烯/磷酸氢锆复合材料，控制溶剂热反应条件可获得形貌可控的磷酸氢锆纳米材料，同时溶液中石墨烯的存在，可使生成石墨烯的原位附着 在磷酸氢锆表面获得磷酸氢锆与石墨烯复合材料，经煅烧处理，使石墨烯能够在磷酸氢锆的晶格中形成氧空位，从而增加载流子数目和晶格缺陷，提高导电性。石墨烯的存在使磷酸氢锆纳米颗粒间形成导电网络，有利于提高材料整体的导电性，同时石墨烯作为柔性薄膜包覆在磷酸氢锆表面，能够缓冲其充放电过程中的体积膨胀效应。

本发明的有益效果在于：

本发明的制备方法具有操作简便易行，可重复性强，成本低，对环境无污染的特点。利用本方法制备的磷酸氢锆与石墨烯复合材料作为锂电池的负极材料，能够克服电池导电性差、体积膨胀效应严重的问题，具有循环稳定性强、导电性强的特点。由于石墨烯具有高的导电率和大的比表面积，能够有效提高电池复合材料导电性，同时石墨烯的包覆能够有效改善电池复合材料体积膨胀效应，提高电池复合材料的电化学性能，本方法具有操作简单、可重复性高、成本低廉的特点。

附图说明

图1为本发明制备的复合材料作为锂离子电池负极材料时的充电曲线图。

具体实施方式