[发明专利]氮掺杂石墨烯负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本公开涉及一种氮掺杂石墨烯负极材料及其制备方法和锂离子电池，该制备方法包括：将石墨烯原料与刻蚀剂混合后进行刻蚀处理，得到多孔石墨烯；将所得多孔石墨烯与含氮溶剂混合后在密闭溶剂热条件下进行掺杂处理，得到氮掺杂石墨烯负极材料。本公开方法制备的氮掺杂石墨烯负极材料应用于锂离子电池中具有高比容量。

技术领域

本公开涉及锂电池技术领域，具体地，涉及一种氮掺杂石墨烯负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

随着新能源汽车的发展，混合动力汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)越来越受到人们的关注。而在电动汽车的发展过程中，动力电池的比容量成为限制电动汽车发展的重要制约因素，因而制造出具有高比容量的动力电池成为提升电动汽车续航里程、加速电动汽车发展的重要因素。在目前所生产的锂离子动力电池中，石墨材料为主要的负极材料，其理论比容量限制了电池容量的提升。

石墨烯是由sp²杂化的碳原子相互连接构成的单原子层超薄二维晶体材料，其在用作锂离子电池的负极材料中展现出极高的比容量和优异的稳定性。但是本征石墨烯缺少传输锂离子的边缘褶皱和活性位点结构，而对石墨烯进行氮掺杂，可以增加石墨烯表面褶皱和缺陷结构，增大了石墨烯堆积的层间距，降低了锂离子插层进入石墨烯层间的位垒，极大地提升锂离子电池的容量和倍率性能(参考Reddy A L M,Srivastava A,Gowda S R,etal.Synthesis of nitrogen-doped graphene films for lithium battery application[J].Acs Nano,2010,4(11):6337-6342)。然而，在氮掺杂石墨烯中，氮的存在形式以吡啶氮、吡咯氮和石墨氮三种形式存在，可控氮掺杂石墨烯鲜有报道。在石墨烯的骨架上，吡啶氮和吡咯氮能够与锂离子形成一种可逆的含氮锂离子化合物，从而大大提高电池的可逆容量，因此提高石墨烯中吡啶氮和吡咯氮含量是氮掺杂石墨烯研究的方向之一。

发明内容

本公开的目的是提供一种氮掺杂石墨烯负极材料及其制备方法和锂离子电池，本公开方法制备的氮掺杂石墨烯负极材料应用于锂离子电池中具有高比容量。

为了实现上述目的，本公开提供一种氮掺杂石墨烯负极材料的制备方法，该制备方法包括：

将石墨烯原料与刻蚀剂混合后进行刻蚀处理，得到多孔石墨烯；

将所得多孔石墨烯与含氮溶剂混合后在密闭溶剂热条件下进行掺杂处理，得到氮掺杂石墨烯负极材料。

可选的，所述石墨烯原料选自石墨烯和/或还原的氧化石墨烯。

可选的，所述刻蚀剂为氢氧化钾；所述刻蚀处理的条件包括：温度为600-800℃，时间为1-6小时，所述刻蚀剂与石墨烯原料的混合重量比为1：(0.1-10)。

可选的，所述含氮溶剂选自水合肼、氨水、尿素、乙腈和吡咯中的一种或多种。

可选的，所述掺杂处理的条件包括：所述多孔石墨烯与含氮溶剂的重量比为1：(0.1-100)，温度为150-240℃，时间为6-48小时。

本公开还提供所提供的制备方法所制备的氮掺杂石墨烯负极材料。

本公开还提供一种氮掺杂石墨烯负极材料，采用X光电子能谱测定，以所述氮掺杂石墨烯负极材料中吡啶氮、吡咯氮和石墨氮的总重量为基准，所述吡啶氮的含量为40-50重量％，所述吡咯氮的含量为35-40重量％，所述石墨氮的含量为15-25重量％。

本公开还提供一种锂离子电池，该锂离子电池包括正极、负极、隔膜和电解液，所述负极包括本公开所提供的氮掺杂石墨烯负极材料。

本公开还提供所述负极还包括乙炔黑和聚偏氟乙烯，所述氮掺杂石墨烯负极材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯的重量比为(75-85)：(5-15)：10；