[发明专利]石墨烯复合碳包覆Ga2

说明书

本发明提供一种石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃锂离子电池负极的制备方法。利用冷冻干燥和高温烧结制备所述活性物质石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃材料，具体步骤是：（1）配制氧化石墨烯水溶液，加入聚乙烯醇胶体溶液和葡萄糖粉末，搅拌均匀后加入硝酸镓，搅拌至全部溶解；（2）将步骤（1）的溶液在‑20℃以下冻结10‑15h后，再在真空下干燥20‑28h，得到柱形泡沫；（3）将柱形泡沫在50‑70℃下烘干后于400℃~650℃管式炉中氮气条件下烧结3~12h得到石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃多孔结构复合材料。氧化石墨烯、聚乙烯醇胶体、葡萄糖、硝酸镓的添加质量比为2~3:0.5~1:0.5~1:10~30。所得石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃可用于锂离子电池负极，能够显示良好的电化学性能，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一类新型锂离子电池负极，特别涉及一种石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃多孔结构制备方法，属于电化学电源领域。

技术背景

经济快速发展的同时伴随着严重的环境污染问题。研发高性能的能量转换器件和储能设备，高效利用那些具有随机性、间歇性等特点的新型清洁能源和可再生清洁能源，是人们应对环境污染问题的可靠选择。锂离子电池具其清洁高效、质量轻、能量密度大和循环寿命长等优点，是一种绿色高能电池，已广泛应用于移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备，并逐步向电动工具、电动汽车用动力电池和大型储能电池领域拓展。

电极材料是锂离子电池的核心之一，商业化锂离子电池普遍采用石墨类负极材料，其理论比容量较低、倍率性能不佳，无法满足高比能、大功率锂离子电池的发展需要。因此研究和开发新型负极材料是当前的关注焦点。转换型过渡金属化合物具有高理论容量特性，一直是研究的热点。Ga₂O₃属于典型的无机半导体材料，具有良好的光、电性能。最近研究表明，Ga₂O₃也可作为锂离子电池负极材料，具有较高的理论容量。但由于其导电性不佳，导致其循环稳定性较差。石墨烯作为新型的二维碳纳米材料，具有超高的导电性、巨大的比表面积和良好的化学稳定性，与金属氧化物复合可显著提升导电性。目前，关于氧化镓/石墨烯复合材料合成及电化学性能研究报道较少，如何增强氧化镓与石墨烯之间的结合是获得高性能氧化镓/石墨烯锂离子电池负极材料的关键。

发明内容

基于以上背景，本专利发明一种结合冷冻干燥和高温固相烧结方法制备石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃多孔结构。以氧化石墨烯溶液，聚乙烯醇，葡萄糖，硝酸镓作为原料，直接通过冷冻干燥得到多孔前驱体复合物。在烧结过程中，硝酸镓分解生成氧化镓的同时，聚乙烯醇，葡萄糖原位碳化，对氧化镓形成包覆的同时对氧化石墨烯进行原位还原，进而显著增强氧化镓与石墨烯之间的结合。最终，所制备的石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃多孔结构作为锂离子电池负极显示了优异电化学性能。

本发明涉及一种锂离子电池负极的制备方法，活性材料为石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃多孔结构。所制备的复合多孔结构材料作为锂离子电池负极，显示出了良好的电化学性能。

石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃多孔结构的具体制备方法如下：

（1）配制氧化石墨烯水溶液，加入聚乙烯醇胶体溶液和葡萄糖粉末，搅拌均匀后加入硝酸镓，搅拌至全部溶解；

（2）将步骤（1）的溶液在-20℃以下冻结10-15h后，再在真空下干燥20-28h，得到柱形泡沫；

（3）将柱形泡沫在50-70℃下烘干后于400℃~650℃管式炉中氮气条件下烧结3~12h得到石墨烯复合碳包覆Ga₂O₃多孔结构复合材料。