[发明专利]一种石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明涉及电池组技术领域，具体公开了一种石墨烯‑碳纳米管复合材料的制备方法及应用。该复合材料是由石墨烯经氧化后再羧基化得到改性石墨烯，改性石墨烯经活化后再与改性碳纳米管复合得到的，二者之间的互补结合很好地避免了石墨烯纳米片在溶液中的层状堆积以及碳纳米管的聚集，解决了二者分散不均匀、稳定性差的问题。所制备的石墨烯‑碳纳米管复合材料导电性能更佳，应用到锂电池中能够极大地提升电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及电池组技术领域，尤其涉及一种石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法及应用。

背景技术

近年来资源匮乏与环境问题日益严重，发展可持续、高效和清洁的新能源技术已是大势所趋。目前动力锂电池主要以磷酸铁锂电池为主导，同时发展三元电池。随着市场对续航更高的需求，以及三元电池本身的高密度特性，三元材料锂离子电池开始成为研究的热点。目前锂离子电池采用的材料体系中，负极材料大多都固定不变，正极材料的改变决定了动力电池的优劣。现有正极材料活性物质导电性差，电极间内阻较大，致使活性物质不能得到充分的反应。传统导电剂由于过低的倍率、容量等并不能满足现有需求，开发新型导电剂与高容量的三元材料结合，制备出高效性能、大容量和长寿命的电池是目前研究的热点。创新电池材料是锂离子电池制备技术进步的关键一环，结合电池使用需求去开发正极新材料，提高锂电池的性能，是促进锂离子电池行业发展的一大方向。

石墨烯是一种新型碳纳米材料，由单层sp²碳原子堆积成二维蜂窝状结构，具有优异的导热性能与力学性能，基于其“至薄至柔”的结构特征，石墨烯可以通过“面-点”的接触模式在活性材料颗粒中形成有效导电网络，从而提高锂离子电池性能。然而石墨烯其独特的二维平面结构在带来极高的电导率的同时，也会对锂离子产生位阻效应。在实际应用过程中往往产生团聚、极化等现象，影响电池性能。碳纳米管具有特殊的一维结构，也同样有着良好的导电性能。石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质，但由于结构不同,它们也有很多不同之处。碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料，它们分别体现出了一维的和二维的各向异性，如导电性、力学性能和导热性等。为了结合两者的优点，人们将石墨烯和碳纳米管共同用于复合材料。石墨烯和碳纳米管复合材料形成三维网状结构，通过它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。基于以上性质，使得石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。但是由于石墨烯及碳纳米管结构的特殊性，二者的分散性一直是一个需要解决的问题，目前现有技术制备石墨烯/碳纳米管复合材料的方法大多是将石墨烯和碳纳米管利用简单的机械混合方式实现复合(如将石墨烯和碳纳米管直接混合搅拌)，均存在石墨烯和碳纳米管分散不均匀的缺点。

中国专利201510204558.6公开了一种石墨烯-碳纳米管三维结构复合材料的制备方法。值得说明的是化学气相沉积法(CVD)能制备出均匀的碳纳米材料，其成分及结构易于控制，重复性好，不受基体表面形状的限制，且适合于大批量生产，是目前制备碳纳米材料最为广泛使用的技术手段。然而在连续化制备石墨烯-碳纳米管三维结构复合材料方面的化学气相沉积技术还尚未见报道。该发明要求保护上述方法所使用的石墨烯微片和碳源同时进入反应器，催化碳纳米管生长并与石墨烯微片原位复合，获得石墨烯-碳纳米管三维结构复合材料。

中国专利201811156985.1提供了一种石墨烯复合导电浆料的制备方法，包括以下步骤，首先将分散剂和/或粘结剂、高导电石墨烯和有机溶剂进行第一高速剪切分散，再经过第一研磨和超声分散后，得到石墨烯浆料；将分散剂和/或粘结剂、碳纳米管和有机溶剂进行第二高速剪切分散，再经过第二研磨后，得到碳纳米管浆料；然后将上述步骤得到的石墨烯浆料和碳纳米管浆料进行混合后，得到石墨烯复合导电浆料。该发明得到了能够在低粘度的条件下，仍然具有较高稳定性的石墨烯/碳纳米管复合浆料，低粘度有利于导电浆料的均匀涂布，丰富的空间网状结构和高稳定性能够实现较好的电子、离子传输效果，更好的发挥石墨烯和碳纳米管的性能。