[发明专利]一种焦钒酸铜/氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及纳米材料技术领域，具体为一种焦钒酸铜/氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和其在锂离子电池中的应用。本发明将氧化石墨烯、PVP、有机胺、铜盐和钒源以一定配比混合分散于水中并利用水热法一步合成具有三维介孔结构的焦钒酸铜/氮掺杂石墨烯复合材料，通过改变钒酸盐的种类和用量，对焦钒酸铜在氧化石墨烯表面的生长进行了调控，使制得的复合材料不仅结合了石墨烯和焦钒酸铜的优点，同时极大的克服了石墨烯和焦钒酸铜各自的缺点，有效的提高了该复合材料的导电性，可缓解充放电过程中的体积变化，具有良好的电化学性能，可作为锂电池的负极材料使用。本发明的制备方法简单高效、成本低，能够实现大量制备。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种焦钒酸铜/氮掺杂石墨烯复合材料及其制备方法和其在锂离子电池中的应用。

背景技术

钒酸盐因为理论容量高、储量丰富、成本低廉、易于合成等优点而被认为是具有较大应用前景的锂离子电池负极材料。到目前为止，已经成功制备了一系列具有不同形貌和结构的钒酸盐，其中包括矾酸钴、矾酸铁、矾酸锰、矾酸镍等，将这些材料用作于锂离子电池负极材料时，表现了优异的电化学性能。在这些金属钒酸盐中，焦钒酸铜由于理论容量高、成本低廉，而引起了研究者的注意。但是焦钒酸铜在充放电过程中体积改变大、电导率低等问题导致其循环稳定性和倍率性能都较差，限制了焦钒酸铜的实际应用。为了解决这些问题，研究者做了大量的研究工作。这些工作大致分为两类，一类是材料的纳米化，制备具有不同形貌和不同结构的纳米材料。另一类就是将焦钒酸铜与导电性好的材料复合，这些材料多为碳材料。碳材料能够提升电极的导电性，限制充放电过程中的体积改变，提升循环稳定性和倍率性能。

石墨烯具有高比表面积(2630m²/g)、高导电率(300k时约为15000cm²·V^-1·s^-1)、高导热率(室温下约为3000W·mK^-1)。除此之外，由于石墨烯具有良好的电子导电性，同时孔道结构可提供更多的活性表面，并为锂离子的高速传输提供通道而引起了研究者的广泛关注。但是当电流较大时，表面的副反应相关的含氧表面官能团的活性位点是非常活跃的，导致副反应增多、产生气体，致使电极电化学不稳定。除此之外，石墨烯电极在充放电过程中出现首次库伦效率低、容量衰减快等问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种具有三维介孔结构且结合了石墨烯和焦钒酸铜的优点的同时极大的克服了石墨烯和焦钒酸铜各自的缺点，具有良好电化学性能的焦钒酸铜/氮掺杂石墨烯复合材料；本发明复合材料通过水热法一步合成的，该合成方法简单高效、成本低，能够实现大量制备；本发明的复合材料作为锂离子电池负极材料时具有良好的电化学性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种焦钒酸铜/氮掺杂石墨烯复合材料，包括石墨烯和生长在石墨烯表面的焦钒酸铜，所述复合材料具有三维介孔结构。

一种焦钒酸铜/氮掺杂石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将氧化石墨烯、PVP、有机胺、铜盐和钒源均匀分散于水中，形成分散混合液。

优选的，分散混合液的配置方法为：先将氧化石墨烯、PVP和有机胺分散于水中，形成第一分散液；再将铜盐和钒源分散于第一分散液中，形成分散混合液。

更优选的，分散混合液的配置方法为：先将氧化石墨烯分散于水中，形成S1分散液；然后将PVP溶解于S1分散液中，形成S2分散液；接着将有机胺加入S2分散液中并搅拌均匀，形成第一分散液；再接着将铜盐分散于第一分散液中，形成S3分散液；最后将钒源分散于S3分散液中，形成分散混合液。

所述氧化石墨烯、钒源和铜盐的质量比为1:(1.95-10):(3.3-4)。

优选的，所述氧化石墨烯、钒源和铜盐的质量比为1:2:4。