[发明专利]石墨烯负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种石墨烯负极材料及其制备方法和应用，所述石墨烯负极材料的拉曼光谱I_D/I_G满足0.1≤I_D/I_G≤2，石墨烯负极材料的平均粒径为500nm～2500nm。本发明的石墨烯材料可直接作为负极活性物质，并能够显著提高负极及电池的循环性等性能。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯负极材料及其制备方法和应用，属于碳材料及其应用领域。

背景技术

锂离子电池是具有高能量密度、循环寿命长、对外界环境适应性强等优点，被广泛应用于便捷式电子设备、新能源汽车等领域。锂离子电池主要由正极、负极和电解液三部分组成，其中，常用正极材料主要是锂过渡金属氧化物，如磷酸铁锂(LiFePO₄)、钴酸锂(LiCoO₂)、三元材料等，常用负极材料主要为石墨，如天然石墨等。对于负极来说，石墨可以提供较低而平稳的工作电压，且循环寿命长，库伦效率高，但其理论容量较低，仅372mA hg^-1，极大限制了锂离子电池的电化学性能的提高(Journal of Energy Chemistry 2020；49；233-242)。因此，研发高性能负极材料是优化锂离子电池性能、促进锂离子电池向电动设备应用发展的有效方式。

石墨烯是一种新型二维结构的碳纳米材料，被认为是目前最薄、强度最大的材料，在电极材料方面具有较大的应用潜力。目前的石墨烯通常是和硅等物质复合形成复合材料后再应用于电池负极，以保证电池的容量、循环性等性能，例如专利文献CN102306757A公开了一种锂离子电池硅石墨烯复合负极材料，由硅粉、石墨烯和无定型碳组成，石墨烯构成具有内部空腔的三维立体导电网络，并将硅粉包裹在其内部空腔内，形成球形或类球形的复合颗粒；CN109592674A公开了一种石墨烯负极材料，包括石墨烯、可溶性中间相沥青、中间相微米级炭微球，可溶性中间相沥青包覆在中间相微米级炭微球表面形成核壳颗粒，该核壳颗粒分布在石墨烯的内部。因此，研发新型石墨烯材料，提升其作为负极活性物质的性能，对于提高负极及电池的循环性等性能具有重要意义，这也是本领域技术人员所面临的重要课题。

发明内容

本发明提供一种石墨烯负极材料及其制备方法和应用，该石墨烯负极材料可直接作为负极活性物质，并能够显著提高负极及电池的循环性等性能，有效克服现有技术存在的缺陷。

本发明的一方面，提供一种石墨烯负极材料，所述石墨烯负极材料的拉曼光谱I_D/I_G满足0.1≤I_D/I_G≤2；所述石墨烯负极材料的平均粒径为500nm～2500nm。

根据本发明的一实施方式，所述石墨烯负极材料的X射线衍射(XRD)分析结果显示：(002)层间距的衍射角2θ为23°～25°；和/或，所述石墨烯负极材料的比表面积为1m²/g～5m²/g；和/或，所述石墨烯负极材料的碳含量不低于99.99％；和/或，所述石墨烯负极材料包括层数为1～10的石墨烯。

本发明的另一方面，提供一种上述石墨烯负极材料的制备方法，包括：采用气流粉碎机对石墨烯原料进行粉碎处理，得到所述石墨烯负极材料。

根据本发明的一实施方式，所述粉碎处理过程中，所述气流粉碎机的转速为100-50000r/min；和/或，所述粉碎处理的时间为1-48h。

根据本发明的一实施方式，还包括石墨烯原料的制备过程，所述石墨烯原料的制备过程包括：将石墨原料加入反应釜中，向其中通入气体至通入所述反应釜中的气体为超临界状态，使石墨原料在所述超临界状态下进行插层反应；反应120±50min后，反应结束，使反应釜泄压，以剥离反应后的石墨原料，得到石墨烯原料。

本发明的另一方面，提供一种负极片，包括负极集流体和位于所述负极集流体表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层包括负极活性物质、导电剂和粘结剂，所述负极活性物质包括上述石墨烯负极材料。