锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法技术

技术编号:15793916 阅读:133 留言:0更新日期:2017-07-10 06:26
本发明专利技术公开了锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法,配制以乙醇为溶剂的稀土溶液,将石墨烯加入到稀土溶液中进行改性处理,用去离子水配制醋酸铜溶液并与浓氨水反应生成铜氨溶液。将改性石墨烯溶液与铜氨溶液按1:2~1:5的比例混合,磁力搅拌并进行超声处理。随后转入反应釜中,在120~200℃恒温8~12h,自然冷却后用去离子水洗涤,再将洗涤后的固体放入真空干燥箱,最终得到产品。微量稀土元素的加入既改善了石墨烯的表面结构,降低了石墨烯的团聚性,又显著提高了纳米氧化铜/石墨烯电极材料的电容性能。有效解决了氧化铜/石墨烯电极导电性差、易破碎、充放电体积变化大和循环性能差的问题。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法
本专利技术属于锂离子电池
,涉及一种锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法。
技术介绍
随着全球科技和经济的快速发展,人类社会对能源尤其是化石能源的需求越来越多,能源经济面临严重的考验。同时,这种化石能源所造成的环境污染以及全球气候变暖问题,已经引起国际社会的高度关注。提高能源利用效率、优化能源结构、合理开发和利用可再生能源将成为能源发展的必然选择。电化学储能系统在这一过程中发挥了至关重要的作用,例如电池和超级电容器。而锂离子电池由于具有体积小、重量轻、无记忆效应、无环境污染、循环寿命长、工作电压高、荷电保持能力强,工作温度范围宽等优点,成为目前世界各国新能源研究的热点。改善和提高锂离子电池性能的关键是选取充放电性能良好的正负极材料,传统的负极材料使用的是石墨,由于其存在理论容量低,很难满足高容量电池的需求。为了克服上述缺陷,目前锂离子电池负极材料的研究主要集中在非碳负极材料上,如氧化锡、氧化铁、四氧化三钴、氧化镍、四氧化三锰和氧化铜。其中,氧化铜理论容量(670mAh·g-1)较高,接近商业石墨负极的两倍,而且安全性高、成本低以及环境友好,长期以来一直作为锂离子电池的负极材料,具有广阔的应用前景。但是氧化铜的主要缺点是电化学活性差以及在充放电过程中发生严重的体积变形,造成氧化铜活性物质逐渐破碎,使电池容量迅速衰减。石墨烯作为一种二维纳米材料,其具有分散性好,电子迁移率高,无毒,比表面积大等优点,石墨烯与其负载的金属氧化物形成的复合材料在一定条件下可表现出协同效应,当应用于锂离子电池或者钠离子电池的负极材料时,氧化铜/石墨烯复合材料能够利用其界面效应,增加锂(钠)离子的储存密度以及循环稳定性;并且,由于石墨烯具有较高的载流子迁移率,非常有利于电荷的迁移,提高了电池的充放电速率。但是高比表面积的石墨烯由于表面活性能高,分子间的作用力以及化学键作用强而容易发生叠层和团聚,使比表面积显著降低,不能充分发挥石墨烯材料的高比表面、高导电和高导热的性能优势,这在一定程度上限制了其在锂离子电池中的进一步应用。
技术实现思路
为实现上述目的,本专利技术提供一种锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法,解决了氧化铜/石墨烯电极导电性差、易破碎、充放电体积变化大和循环性能差的问题,既改善了石墨烯的表面结构,降低了石墨烯的团聚性,又显著提高了纳米氧化铜/石墨烯电极材料的电容性能,其综合性能优良,制备工艺简单、成本低廉、绿色环保。本专利技术所采用的技术方案是,锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法,具体按照以下步骤进行:步骤1,配制以乙醇为溶剂的稀土溶液,其中,稀土溶液各成分的质量分数为:稀土化合物0.05~5.0%,氯化铵0.1~2.0%,尿素0.01~2.0%,三乙醇胺0.1%~0.4%;将稀土溶液进行水浴加热,然后将稀土溶液的pH调至5~6,得到稀土改性溶液;按照200~500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18-22℃条件下浸入稀土改性溶液中,超声波分散,得到改性氧化石墨烯分散液;步骤2,将(CH3COO)2Cu·H2O与去离子水混合,磁力搅拌10~30分钟,直至(CH3COO)2Cu·H2O完全溶解,所配制醋酸铜溶液质量浓度为8~15%;步骤3,在磁力搅拌器不断搅拌下,向步骤2所得醋酸铜溶液慢慢滴加氨水,生成铜氨溶液,调节铜氨溶液的pH值为8~10;步骤4,再将步骤1制得的改性氧化石墨烯分散液与铜氨溶液按质量比1:2~1:5的比例混合,磁力搅拌1~3h随后进行超声处理;步骤5,将步骤4得到的溶液转入反应釜中,在120~200℃恒温8~12h,然后自然冷却至18-22℃,取出样品,使用去离子水洗涤多次,直至洗涤后的废液的pH为中性;步骤6,将洗涤后的固体放入真空干燥箱干燥,即得。进一步的,所述步骤1中,稀土溶液进行水浴加热至75~85℃,保温5~10分钟。进一步的,所述步骤1中,用硝酸将稀土溶液的pH调至5~6。进一步的,所述步骤1中,超声波分散3~6小时,超声波功率为900~2000W,频率为20~75KHz。进一步的,所述步骤1中,稀土化合物为镧、铈、镨或钕的氯化物。进一步的,所述步骤3中,氨水的质量浓度为20~30%。进一步的,所述步骤4中,超声处理0.5~1h,超声波功率为900~2000W,频率为20~75KHz。进一步的,所述步骤6中,干燥温度60-80℃,干燥时间6-10h。本专利技术的有益效果:(1)利用该方法制备的纳米氧化铜/石墨烯电极材料,多次实验证明充放电以后材料没有破碎,具有很好的体积弹性缓冲,从而增强电池负极的稳定性。(2)利用该方法制备的纳米氧化铜/石墨烯电极材料,解决了氧化石墨烯容易团聚的问题,能够提高锂离子电池的循环能力和可逆容量,在100mA/g电流密度下,循环100次后,可逆容量仍能保持在750mAhg-1,且库伦效率大于95%,显示出良好的循环稳定性。(3)利用该方法制备的纳米氧化铜/石墨烯电极材料,制备工艺简单易行,绿色环保,且原材料丰富,价格低廉,具有很好的市场前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是改性前的氧化石墨烯SEM图。图2是稀土改性后的氧化石墨烯SEM图。图3是氧化铜/石墨烯复合材料的循环容量曲线图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法,具体按照以下步骤进行:步骤1,配制以乙醇为溶剂的稀土溶液,其中,稀土溶液各成分的质量分数为:稀土化合物0.05~5.0%,氯化铵0.1~2.0%,尿素0.01~2.0%,三乙醇胺0.1%~0.4%。加入三乙醇胺主要起络合作用,根据络合效果来选择该成分。将稀土溶液进行水浴加热至75~85℃,保温5~10分钟,然后用硝酸将稀土溶液的pH调至5~6,得到稀土改性溶液。按照200~500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18-22℃条件下浸入稀土改性溶液中,超声波分散3~6小时,超声波功率为900~2000W,频率为20~75KHz,得到改性氧化石墨烯分散液。稀土溶液中的各种成分的选择是通过多次试验得到的,如何成分不在该范围里,改性后的氧化石墨烯去分散性就不好。水浴控制温度和时间的控制,一方面防止改性剂里边有机溶剂的分解,一方面使得乙二酸四乙酸和稀土离子形成稳定的水溶性络合物,螯合效率更高。超声波分散中试验证明小于此参数,反应不是很彻底。大于此功率范围及时间,石墨烯的分散性并没有变化;超声波的功率达到一定程度的时候,对一些化学反应可以起催化的作用。步骤2,将(CH3COO)2Cu·H2O与去离子水混合,磁力搅拌10~30分钟,直至(CH3COO)2Cu·H2O完全溶解,所配制醋本文档来自技高网
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锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法

【技术保护点】
锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,具体按照以下步骤进行:步骤1,配制以乙醇为溶剂的稀土溶液,其中,稀土溶液各成分的质量分数为:稀土化合物0.05~5.0%,氯化铵0.1~2.0%,尿素0.01~2.0%,三乙醇胺0.1%~0.4%;将稀土溶液进行水浴加热,然后将稀土溶液的pH调至5~6,得到稀土改性溶液;按照200~500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18‑22℃条件下浸入稀土改性溶液中,超声波分散,得到改性氧化石墨烯分散液;步骤2,将(CH

【技术特征摘要】
1.锂离子电池用纳米氧化铜石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,具体按照以下步骤进行:步骤1,配制以乙醇为溶剂的稀土溶液,其中,稀土溶液各成分的质量分数为:稀土化合物0.05~5.0%,氯化铵0.1~2.0%,尿素0.01~2.0%,三乙醇胺0.1%~0.4%;将稀土溶液进行水浴加热,然后将稀土溶液的pH调至5~6,得到稀土改性溶液;按照200~500mg/mL的比例将氧化石墨烯于18-22℃条件下浸入稀土改性溶液中,超声波分散,得到改性氧化石墨烯分散液;步骤2,将(CH3COO)2Cu·H2O与去离子水混合,磁力搅拌10~30分钟,直至(CH3COO)2Cu·H2O完全溶解,所配制醋酸铜溶液质量浓度为8~15%;步骤3,在磁力搅拌器不断搅拌下,向步骤2所得醋酸铜溶液慢慢滴加氨水,生成铜氨溶液,调节铜氨溶液的pH值为8~10;步骤4,再将步骤1制得的改性氧化石墨烯分散液与铜氨溶液按质量比1:2~1:5的比例混合,磁力搅拌1~3h随后进行超声处理;步骤5,将步骤4得到的溶液转入反应釜中,在120~200℃恒温8~12h,然后自然冷却至18-22℃,取出样品,使用去离子水洗涤多次,直至洗涤后的废液的pH为中性;步骤6,将洗涤后的固体放入真空干...

【专利技术属性】
技术研发人员:李勇李焕朱靖赵亚茹胡咏梅许方袁华丽
申请(专利权)人:江西理工大学
类型:发明
国别省市:江西,36

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