[发明专利]一种锂离子电池用石墨烯-氧化铁膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用石墨烯‑氧化铁膜及其制备方法，该石墨烯‑氧化铁膜具有易制备、可调控、可规模化的特点。该石墨烯‑氧化铁膜可以依据不同的前驱体浓度而得到不同的性能，比容量最高可以达到725mAh g^‑1，在便携器件、柔性储能等领域都有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯-氧化铁膜及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池是一种重要的储能器件，一般具有非常高的电压(大于3V)以及可观的能量密度(电极能量密度大于500W h kg^-1)，早已在手机、电脑等电子产品上获得广泛应用，近年来更是在商用汽车以及航空航天领域都有重要的发挥。锂离子电池的负极一直是研究重点，这其中大多是以碳材料作为商业化使用的电极材料，其存在比容量较低的缺点。为了提升纯碳材料的比容量，研究者们通常会引入过渡金属氧化物，而这其中氧化铁就是非常重要的负极材料之一。然而，氧化铁与碳材料的复合很难同时实现有序性与规模化，如何简单方便制备碳材料与氧化铁的复合电极是目前面临的问题之一。

石墨烯是一种由碳原子组成的二维层状材料，其独特的高比表面积以及高导电性使其成为了储能领域关注的重点。氧化石墨烯作为石墨烯材料最广泛应用的前驱体，具有非常好的加工性能，能通过各种对高分子的常见技术工序获得纤维、膜以及块体材料。利用氧化石墨烯的可加工性能获得石墨烯-氧化铁膜电极被认为是一种新型的有效的制备锂离子电池负极的方法。目前已经有相关文献报道了石墨烯与氧化铁的复合膜的制备以及其在锂离子电池方面的应用，但是，高效快速大规模获取有序组装的石墨烯-氧化铁膜电极仍然是目前工业界难以实现的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种石墨烯-氧化铁膜及其制备方法与应用。

本发明通过以下技术方案实现：一种石墨烯-氧化铁膜，在石墨烯的层间原位生成氧化铁纳米晶体、氧化铁纳米晶体均匀分布于石墨烯层之间，石墨烯形成导电网络，两层相邻的石墨烯层之间具有π-π键作用；氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为在1-200nm，其中，氧化铁纳米晶体的质量含量为3～87％。

进一步地，所述氧化铁纳米晶体的质量含量为27％，氧化铁纳米晶体的晶粒尺寸为5-10nm。

一种石墨烯-氧化铁膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散液从矩形喷口挤出后，注入含有三价铁离子的凝固浴中，通过流场牵伸作用得到连续化湿纺的水凝胶膜，利用卷绕器进行收集。其中凝固浴中三价铁离子的浓度为0.1-10wt％；

(2)将得到的铁离子交联的水凝胶膜转移至含有去离子水的水热釜中进行水热反应。水热温度为120-200摄氏度，反应时间为0.5-24h。

(3)将水热反应得到的黑色水凝胶膜取出后用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到自支撑的石墨烯-氧化铁膜。

进一步地，所述步骤1中，氧化石墨烯分散液的浓度为10-20mg g^-1。

进一步地，所述步骤1中，凝固浴中的三价铁离子通过硝酸铁、氯化铁或者硫酸铁方式引入。

进一步地，所述步骤1中，流场牵伸速度为0.1-2cm s^-1。

上述石墨烯-氧化铁膜作为锂离子电池负极材料的应用。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：