氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料及其制备方法。该制备方法为：在含有氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料的水或有机溶剂分散液中，加入锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料，通过超声、机械搅拌和球磨处理中的一种或几种的组合，分散成乳液，再将所述乳液分离得到浆料，然后将所述浆料干燥后经研磨破碎，得到粉状的氧化石墨烯量子点与石墨烯复合纳米材料作为锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料的添加剂而构成的复合电极材料。该氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料是通过上述方法制备得到的，具有优秀的导电性、导热性、水系或有机系的分散性、离子传输和储存能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料及其应用
，具体涉及一种氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料及其制备方法，更具体地，涉及一种氧化石墨烯量子点与石墨烯复合纳米材料作为锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料的添加剂而构成的复合电极材料。
技术介绍
锂离子电池是性能卓越的新一代绿色高能电池，已成为高新技术发展的重点之一。锂离子电池具有以下特点：高电压、高容量、低消耗、无记忆效应、无公害、体积小、内阻小、自放电少、循环次数多，被广泛应用于各种便携式电子设备，并成为电动汽车的主要动力电源。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液等构成。目前制约锂离子电池发展的主要瓶颈是正极材料的容量限制，已经市场化的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等产品。伴随着新型正极材料的研发不断取得进展，新型锂离子电池对于负极材料性能的要求也越来越高。锂离子电池负极材料把握动力电池安全性命脉，在锂离子电池负极材料中，除石墨化中间相碳微球、无定形碳、硅或锡类占据小部分市场份额外，天然石墨和人造石墨占据着90％以上的负极材料市场份额。锂离子电池负极材料未来有两个发展方向——钛酸锂材料和硅基材料。锂离子电池正、负极材料在使用中都需要加入一定量的添加剂，来提高其导电性、锂离子传输性和单位储锂能力，从而获得更高的比容量、比功率、倍率、耐低温性、安全性和循环使用寿命。超级电容器从储能机理上分为双电层电容器和赝电容器，具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。双电层电容器基于多孔炭作为电极材料，比表面积可达到2000m2/g。庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人的电容量，并且静电储能原理不发生化学反应，可反复充放电数十万次。主要的电极材料包括活性炭、碳纤维、碳气凝胶和碳纳米管等。赝电容器包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5、水合氧化钌等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PANI、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。超级电容器电极材料在使用中也需要加入一定量的添加剂，来提高其导电性、离子传输和储存能力，从而获得更高的比容量、比功率和快速充放电能力。现有技术的锂离子电池和超级电容器主要使用导电石墨、乙炔黑和碳纳米管作为导电添加剂。乙炔黑是由呈球形的无定形碳颗粒组成的链状物，是目前使用最为广泛的导电添加剂，价格低廉，当充放电倍率或电流密度较低，循环次数较少的时候，它们可以发挥良好的导电作用，但当大功率充放电时，易发生极化，产生脱落剥离等现象，使得活性物质颗粒间出现空隙，导电网络结构被破坏；为了达到增强电极活性物质间互相接触的目的，所需要的添加量较大，从而造成电极容量的下降。碳纳米管、纳米碳纤维等新型导电添加剂在使用中容易发生团聚成束现象，分散性不能得到很好的解决，使得其使用量提高，成为阻碍其进一步应用的主要因素。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的二维(2D)六角型呈蜂巢晶格的平面单层。目前，已实现通过物理和化学方法调控得到厚度在分子尺寸至几纳米的准二维纳米结构体系。石墨烯的比表面积高达2630m2/g，电阻率只有10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，是目前已知的导热性能最好的材料。因此，它的导电性、储锂或吸附离子能力对于锂离子电池和超级电容器具有很大的利用价值。然而，高性价比石墨烯的制备和应用中的自团聚问题一直无法很好的解决。分析原因，主要有三：一是石墨烯原料存在结构缺陷，官能团和孔洞等结构缺陷将使其导电导热性大幅度降低；二是石墨烯原料分散问题，为提高分散性，往往要引入有机分散剂，致使后期制备的复合电极材料中残留有机物，将降低导电导热性；三是在制成复合电极材料时石墨烯层间堆叠致使导电导热性大幅度下降，因为随着石墨烯层数增加其导电导热性迅速降低直至等同于石墨。解决上述问题后，用石墨烯为原料制成的复合电极材料将比现有的商品化电极材料具有更大的优势。氧化石墨烯量子点是碳基面尺度小于100nm，并在其边缘有大量含氧和/或含氮官能团，并接近单原子层厚度的结构物，因而被认为是一种准零维的纳米材料。其在水和强极性有机溶剂中有极好的分散性能，由于存在强的静电排斥作用在溶液中可保持长期的稳定性而不发生沉降。氧化石墨烯量子点与石墨烯片层间可通过范德华力相互作用而复合，在氧化石墨烯量子点边缘的官能团作用下，可实现石墨烯在水和强极性有机溶剂中的高度分散，这为后续复合电极材料的制备带来了极大的便利。这种层间的复合可保持石墨烯层的结构完整性，还具有有效抑制石墨烯层间堆叠的作用。此外，氧化石墨烯量子点与电极材料间会形成弱的化学键，一方面起到电极材料与石墨烯间的桥联作用而提高结合力，另一方面其表面丰富的含氧和/或含氮官能团有利于离子的传输和储存。综上所述，研发一种氧化石墨烯量子点与石墨烯复合纳米材料作为锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料的添加剂而构成的复合电极材料，仍是纳米材料及其应用
中急需解决的关键问题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料及其制备方法。该复合电极材料是氧化石墨烯量子点与石墨烯复合纳米材料作为锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料的添加剂而构成的复合电极材料。为达到上述目的，本专利技术提供了一种氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料的制备方法，其包括以下步骤：在含有氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料的水或有机溶剂分散液中，加入锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料，通过超声、机械搅拌和球磨处理中的一种或几种的组合，分散成乳液，再将所述乳液分离(例如离心和/或过滤分离等)得到浆料，然后将所述浆料干燥后经研磨破碎，得到所述的氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料。该复合电极材料是一种粉状的氧化石墨烯量子点与石墨烯复合纳米材料作为锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料的添加剂而构成的复合电极材料。在上述的制备方法中，优选地，所述的氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料是氧化石墨烯量子点与液相剥离型石墨烯构成的复合纳米材料。更优选地，所述的氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料是通过以下方法制备得到的(但不限于以下制备方法)：在含有氧化石墨烯量子点的水或有机溶剂溶液中，加入人工和/或天然石墨粉体，混合均匀后，在高剪切力的辅助机械作用下，利用溶液中吸附在石墨上的氧化石墨烯量子点的剥离、再吸附、再剥离的循环过程，将所述人工和/或天然石墨粉体解离和切割为准二维的石墨烯与氧化石墨烯量子点构成的复合纳米材料，并分散于所述水或有机溶剂溶液中。其中，提供所述高剪切力的辅助机械作用的方法包括球磨、研磨、高速搅拌和切割、超声等中的一种或几种的组合。所述吸附在石墨上的氧化石墨烯量子点的剥离、再本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料的制备方法，其包括以下步骤：在含有氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料的水或有机溶剂分散液中，加入锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料，通过超声、机械搅拌和球磨处理中的一种或几种的组合，分散成乳液，再将所述乳液分离得到浆料，然后将所述浆料干燥后经研磨破碎，得到所述的氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料,该复合电极材料是一种粉状的氧化石墨烯量子点与石墨烯复合纳米材料作为锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料的添加剂而构成的复合电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料的制备方法，其包括以下步骤：在含有氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料的水或有机溶剂分散液中，加入锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料，通过超声、机械搅拌和球磨处理中的一种或几种的组合，分散成乳液，再将所述乳液分离得到浆料，然后将所述浆料干燥后经研磨破碎，得到所述的氧化石墨烯量子点与石墨烯复合电极材料,该复合电极材料是一种粉状的氧化石墨烯量子点与石墨烯复合纳米材料作为锂离子电池或超级电容器的正极和/或负极活性材料的添加剂而构成的复合电极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述的氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料是氧化石墨烯量子点与液相剥离型石墨烯构成的复合纳米材料。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述的氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料是通过以下方法制备得到的：在含有氧化石墨烯量子点的水或有机溶剂溶液中，加入人工和/或天然石墨粉体，混合均匀后，在高剪切力的辅助机械作用下，利用溶液中吸附在石墨上的氧化石墨烯量子点的剥离、再吸附、再剥离的循环过程，将所述人工和/或天然石墨粉体解离和切割为准二维的石墨烯与氧化石墨烯量子点构成的复合纳米材料，并分散于所述水或有机溶剂溶液中。4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，提供所述高剪切力的辅助机械作用的方法包括球磨、研磨、高速搅拌和切割、超声中的一种或几种的组合；所述吸附在石墨上的氧化石墨烯量子点的剥离、再吸附、再剥离的循环过程的时间不高于10h。5.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述的氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料的制备方法还包括以下步骤：将含有所述复合纳米材料的溶液进行分离和/或清洗，去除过剩的、游离态的氧化石墨烯量子点和残余的未完全剥离的石墨以及其他杂质，得到所述的氧化石墨烯量子点与石墨烯构成的复合纳米材料，并分散于所述水或有机溶剂溶液中；其中，所述分离和/或清洗的方法包括过...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐海波，周泉竹，
申请(专利权)人：徐海波，
类型：发明
国别省市：山东;37