[发明专利]一种用于快充锂离子电池负极的三维石墨烯及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于快充锂离子电池负极的三维石墨烯及其制备方法。制备方法为：将石墨和CrO₃添加到盐酸中，所得产物用水洗涤后得到插层石墨；将插层石墨放入过氧化氢中反应；所得产物再经多次去离子水洗涤和自然沉降，直至pH值为6‑7，得到TDG悬浮液；将TDG悬浮液加入到葡萄糖溶液中进行水热反应，自然冷却后，将反应后的溶液进行真空抽滤，压制成膜，将膜真空冷冻干燥，接着碳化，冷却后得到三维石墨烯。本发明能够使材料保持规则排列的层状结构，降低电极材料的绕曲度，提供锂离子的快速传输通道，有效降低电解液中离子浓度梯度，抑制锂枝晶的生长。在大电流、高倍率时表现出更高的快充性能和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种用于快充锂离子电池负极的三维石墨烯及其制备方法，属于充电电池技术领域。

背景技术

人们对于各种电子产品以及电动汽车的续航需求不断增长，在超大容量电池技术未取得突破性进展之前，快速充电就显得尤为重要。因此快充电极材料受到了极大的关注。目前大规模商业化应用的锂离子电池，主要由石墨负极、隔膜、电解液和磷酸铁锂(LFP)正极组成。石墨负极在低倍率小电流的应用情景下，以容量大、电位低、性质稳定的优点得到广泛的应用。但是，锂离子在嵌入石墨材料过程中缓慢的动力学过程严重制约电池体系的充电速度，成为整个电池体系中的短板。随着充电倍率的增大，石墨材料的储锂性能会发生急剧地衰减，失去实际应用价值。于是，开发出一种具有以上优点，同时又拥有快充能力的新负极材料就显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：锂离子在嵌入石墨材料过程中缓慢的动力学过程严重制约电池体系的充电速度的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于快充锂离子电池负极的三维石墨烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：将石墨和CrO₃添加到盐酸中，搅拌，所得产物用水洗涤后得到插层石墨；将所形成的插层石墨放入过氧化氢中，在室温下进行一个可控的、层间气体释放的反应；所得产物再经多次去离子水洗涤和自然沉降，直至pH值为6-7，得到TDG悬浮液；

步骤2)：将TDG悬浮液加入到葡萄糖溶液中，混合均匀，转移到反应釜中，在120℃下进行水热反应，自然冷却后，将反应后的溶液进行真空抽滤，压制成膜，将膜放入-25℃冰箱中静置，然后真空冷冻干燥，在除去残留水分的同时保持材料的结构稳定，接着在氩气气氛下800℃碳化，冷却后得到三维石墨烯。

优选地，所述步骤1)中石墨、CrO₃、盐酸的质量比为1：0.1～20：0.2～50；所述反应的持续时间为两天。

优选地，所述步骤2)中葡萄糖溶液的浓度为0.1mol/L，TDG悬浮液中的TDG与葡萄糖溶液中的葡萄糖的质量比为1：0.1；所述膜在冰箱中静置12h，然后进行24h的真空冷冻干燥。

本发明还提供了一种上述用于快充锂离子电池负极的三维石墨烯的制备方法制备的三维石墨烯。

本发明还提供了三维石墨烯在锂离子电池负极中的应用。

本发明利用插层膨胀、水热处理、冷冻干燥和高温碳化等步骤，制备出一种原位生长碳纳米点支撑物的规则排列三维石墨烯(TDG@C)负极。

本发明能够使材料保持规则排列的层状结构，降低电极材料的绕曲度，提供锂离子的快速传输通道，有效降低电解液中离子浓度梯度，抑制锂枝晶的生长。在大电流、高倍率时表现出更高的快充性能和循环稳定性。