本发明专利技术公开一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极的方法。本发明专利技术将氧化石墨烯和SnO2溶胶混合制成前驱体溶胶，并将溶胶均匀涂布在铜箔表面，置于真空干燥箱内烘干；根据前驱体向石墨烯/SnO2纳米复合材料转变的物性参数选择激光能量密度参考值，通过激光能量密度参考值选择激光器，设置激光工艺参数；采用激光器辐照扫描预制箔片，对转变产物的特征进行测试、分析，以获取最佳激光工艺参数，同时通保护气体以防止石墨烯氧化，达到原位生成石墨烯/SnO2纳米复合材料电极的目的。本发明专利技术克服了传统石墨烯/SnO2复合材料电极制备工艺中的原料浪费、产生大量废液、工艺流程复杂、需要额外添加粘结剂等缺陷。
Preparation of an adhesive free graphene /SnO by laser irradiation in situ
The invention discloses a method for preparing a binder free graphene /SnO in situ by laser irradiation
【技术实现步骤摘要】
一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极的方法
本专利技术涉及一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极的方法。
技术介绍
自2004年发现以来，石墨烯(Graphene)作为一种新型的二维纳米材料，以其独特的纳米结构以及优异的电学、磁学、光学和力学性能受到广泛地关注。与其它碳单质材料相似，石墨烯很难作为单一的材料来应用，但通过与其它材料进行复合，可以得到石墨烯复合材料，在半导体、生物医学、催化、电化学、储能和传感器等诸多领域有着广泛的应用前进。其中石墨烯/SnO2复合材料以其性能良好、价格低廉、容易制备等优势，成为了新型锂离子电池负极材料、电化学传感器、电化学催化等领域的研究热点。传统的石墨烯/SnO2复合材料的制备方法较为繁琐，目前普遍采用的制备工艺是水热合成结合干燥和煅烧的工艺。由于水热合成的技术限制，原材料不能够充分的利用，制备过程中产生大量的废液，不仅浪费严重且容易污染环境；而后续的干燥煅烧过程耗时、耗能，在一定程度上阻碍了这类高性能的负极材料的规模化应用。此后，复合材料还需要被制备成电极，这个过程需要将复合材料和一定比例的粘结剂、导电剂和有机溶剂混合，调制成浆料并涂刷在铜箔等金属箔片表面，通过干燥、压实制成极板。粘结剂的加入可能造成电池内阻增加、电池性能下降、批次间不稳定等的问题；而干燥过程有机溶剂挥发可能会造成的环境污染，因此电极的制备工艺也亟需升级换代。近年来，由激光引发的前驱体转化化学反应，由于能量可控性好、重复性好、绿色环保等优点，也成为了制备各种纳米材料的研究热点。同时，前驱体直接转化以及无粘结剂电极的提出，使快速、绿色、低成本的制备高性能石墨烯/SnO2复合材料电极提供了可行性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于是针对现有技术的不足，提供一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极的方法。本专利技术采用振镜式光纤激光器，在通有保护气的环境下对预涂敷在铜箔片上的氧化石墨烯和SnO2溶胶混合物前驱体进行辐照。通过激光引发的光化学反应，使前驱体原位转化为石墨烯/SnO2复合材料，实现一步法制备石墨烯/SnO2纳米复合材料电极。同时，本专利技术研究了激光工艺参数与复合材料微观结构之间的关系，使石墨烯/SnO2复合材料及其电极实现绿色可控制备。采用该方法获得的无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极在作为锂电池的负极材料使用时，表现出了良好的循环性能和比容量，进一步证明了该专利技术方案的可行性。为了解决上述技术问题，本专利技术通过下述技术方案得以解决：一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极的方法，包括如下步骤：A.将氧化石墨烯和SnO2溶胶混合制成前驱体溶胶，并将溶胶均匀涂布在铜箔表面，置于真空干燥箱内烘干；其中氧化石墨烯与SnO2溶胶的质量比为1:8～1:10。作为优选，步骤A中的SnO2溶胶采用二氯化锡作为前驱体，配制成透明澄清的溶胶溶液。作为优选，步骤A中的先驱体溶胶在涂布前需加入适量的稀释剂；其中稀释剂包括乙醇、乙醇胺等亲水性溶剂。作为优选，铜箔表面的涂布层重量在1～2mg/cm2。B.根据前驱体向石墨烯/SnO2纳米复合材料转变的物性参数(可以是反应温度、反应激活能、反应时间等)选择激光能量密度参考值，通过激光能量密度参考值选择激光器，设置激光工艺参数，所述的激光工艺参数包括激光波长、激光功率、激光相对扫描速度和聚集光斑直径；采用激光器辐照扫描预制箔片，对转变产物的特征进行测试、分析，以获取石墨烯/SnO2纳米复合材料的最佳激光工艺参数，同时通保护气体以防止石墨烯氧化，达到原位生成石墨烯/SnO2纳米复合材料电极的目的。作为优选，步骤B中激光能量密度的选择遵循最佳原则。当激光能量密度过高时，将造成涂层材料的气化损失，需降低激光功率或提高扫描速度；当激光能量密度过低时，先驱体溶胶不能够被有效的转化，需要提高激光功率或降低扫描速度；当激光能量密度在合适的区间时，获得的能量既能够驱使先驱体的转化，又可避免材料的气化损失，先驱体在激光辐照下转变成了石墨烯/SnO2纳米复合材料，则以此作为最佳激光能量密度设定值；其中所述的激光能量密度计算公式为：PD＝P/dv其中，PD是激光的能量密度(J/cm2)；P是激光输出功率(w)；d是激光光斑直径(cm)；v是激光的扫描速度(cm/s)。实验中，激光扫描速度，光斑直径和扫描间距分别固定为150mm/s，120μm和100μm，通过改变激光输出功率来调整激光能量密度。作为优选，步骤B中,激光辐照前，对于放置了样品的气氛保护装置中通99％的氩气作为保护气体，并洗气2～3次，以确保其石墨烯组分不因为氧化而烧蚀。C.电池性能的测试：将上述制得的电极组装成锂离子测试电池，用恒定电流充放电的方法对电池进行测试，以评价电极的容量和充放电稳定性。作为优选，步骤C中的恒流充放电速率采用100mA/g，充放电电位从0.05-3V，执行循环100次。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种利用激光辐照预制在铜箔上的前驱体，在铜箔表面原位生成石墨烯/SnO2复合材料电极制备方法，克服了传统石墨烯/SnO2复合材料电极制备工艺中的原料浪费、产生大量废液、工艺流程复杂、需要额外添加粘结剂等缺陷。当作为锂离子电池负极使用时，表现出了良好的循环性能和比容量，具有制备工艺简单，生产成本低，稳定性好且节约人力物力的特点。附图说明图1为本专利技术所述石墨烯/SnO2复合材料电极的制备流程图；图2为激光辐照装置简图；图3为预制电极，通过把SnO2溶胶/氧化石墨烯制成的混合溶胶涂布在铜箔上并烘干后制得；图4为样品经能量密度为3.33kJ/cm2,1.67kJ/cm2,0.83kJ/cm2和0.42kJ/cm2的激光辐照后的表面形貌特征图(SEM图)；图5为样品经能量密度为3.33kJ/cm2,1.67kJ/cm2,0.83kJ/cm2和0.42kJ/cm2的激光辐照后的X射线衍射图谱(XRD图)；图6为样品受到能量密度为0.83kJ/cm2的激光辐照后:a)扫描电镜图片(SEM图),b)透射电镜图片(TEM图)；图7为样品受到能量密度为0.83kJ/cm2的激光辐照后的高分辨率透射电镜图片(HRTEM图)；图8为本专利技术所述无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极的恒电流充放电谱图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的分析。实施例1-1、石墨烯/SnO2复合材料电极的制备，如图1A.SnO2溶胶的配制:将二氯化锡(2-3g)，加入到10ml乙二醇甲醚中，在60-70℃的条件下加热并搅拌16-24小时，得到黄褐色的透明澄清溶液。B.石墨烯/SnO2前驱体溶胶的配制：在步骤A中获得的溶液中加入0.3-0.5g氧化石墨烯，搅拌溶解均匀。为获得混合溶胶，混合溶液在常温大气环境中放置一星期进行陈化。C.预制电极的制备:在步骤B制备的前驱体溶胶中加入10-20ml乙醇胺，将前驱体溶胶涂层调成糊状，使用小型铸带涂布机将糊状物均匀涂在铜箔表面，真空干燥2-3小时，制成涂布层重量在1-2mg/cm2的预制箔片(图3)。D.电极的激光辐照制备:把步骤C制备的预制极片放置在图2所示的激光辐照装置中，通保护气体氩气，并洗气2-3次，开激光器辐照纳米石墨。实验中选择激光波长在1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO
【技术特征摘要】
1.一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极的方法，其特征在于该方法具体是：步骤(1)、将氧化石墨烯和SnO2溶胶混合制成前驱体溶胶，并将溶胶均匀涂布在铜箔表面，置于真空干燥箱内烘干；其中氧化石墨烯与SnO2溶胶的质量比为1:8～1:10；步骤(2)、根据前驱体向石墨烯/SnO2纳米复合材料转变的物性参数选择激光能量密度参考值，通过激光能量密度参考值选择激光器，设置激光工艺参数；其中激光工艺参数包括激光波长、激光功率、激光相对扫描速度和聚集光斑直径；采用激光器辐照扫描预制箔片，对转变产物的特征进行测试、分析，以获取石墨烯/SnO2纳米复合材料的最佳激光工艺参数，同时通保护气体以防止石墨烯氧化，获得原位生成的石墨烯/SnO2纳米复合材料。2.如权利要求1所述的一种利用激光辐照原位制备无粘结剂石墨烯/SnO2复合电极的方法，其特征在于步骤(1)中的SnO2溶胶采用二氯化锡作为原料制备。...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆潇晓，吴国龙，熊琴琴，秦海英，季振国，卿振军，史月琴，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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