一种石墨烯负极电极片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及负极电极片领域，公开了一种石墨烯负极电极片及其制备方法和应用。本发明专利技术石墨烯负极电极片在100 mA/g的电流密度下，其循环比容量可以达到340 mAh/g；虽然其首效不高（约为50%），当充放电循环次数超过10次，其库伦效率可以达到98%以上，随着循环次数的增加不断增加至100%。大倍率条件下，该石墨烯负极电极片的循环比容量较小，可逆比容量约为25 mAh/g；但是其大倍率循环性能优越，特别是在不同充放电倍率转换的条件下，依旧能够保持较高的循环稳定性，可用于对循环容量要求不高、对大倍率循环稳定性要就极高的超级电容器领域。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯负极电极片及其制备方法和应用
本专利技术涉及负极电极片领域，更具体地，涉及一种石墨烯负极电极片及其制备方法和应用。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是由单层sp2杂化碳原子组成的六方蜂巢状二维结构物质，自2004年首次报道独立存在以来，在力学、热学、电学、光学等方面的优异性能，使之成为近年来化学、材料科学及物理学领域的研究热点。石墨烯中的每个碳原子都通过很强的δ键与靠近的三个碳原子相连接，这个很强的碳碳键使石墨烯具有很好的机械强度。同时，碳原子有四个价电子，这样石墨烯的每个碳原子都可以贡献出来一个未成键的价电子，与平面垂直的方向形成一个共轭离域的大π键，因此石墨烯具有优异的电子导电性。石墨烯还有以下特点：是一种没有能隙的半导体材料，载流子迁移率高，有可能替代硅成为集成电路的首选材料，良好的化学和热稳定性，优异的力学性能。石墨烯作为锂离子负极材料具有非常优异的电子导电性(电子迁移率15000cm2·V-1·S-1)和导热性(导热系数高达5300W·m-1·K-1)，前者保证了良好的电子传输通道，而后者确保了材料的稳定性；同时用于电极的石墨烯材料的二维尺寸可达纳米级别，使得锂离子在其中的迁移距离非常短，有助于提高电池的功率性能；高的理论比表面积(2600m2·g-1)，良好的机械性能。这些特点都使石墨烯成为锂离子电池负极材料的首先研究材料。但石墨烯作为锂离子电池负极材料也存在一些问题：①可以大规模制备的还原法得到的石墨烯具有较多的残余含氧官能团，不利于石墨烯的电子导电性，而且氧官能团的分解会使得石墨烯作为锂离子电池负极材料表现出的循环性能受到影响；②石墨烯很容易由于范德华力再重新堆积到一起，影响锂离子在石墨烯中的传输，进而导致石墨烯的倍率性能下降。针对循环容量要求不高、对大倍率循环稳定性要就极高的超级电容器领域，目前还没有一款适合的扣式锂离子电池。
技术实现思路
本专利技术的要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，针对超级电容器领域，提供一种石墨烯负极电极片，所述石墨烯负极电极片循化容量一般但是大倍率循化稳定性极高。本专利技术还提供一种石墨烯负极电极片的制备方法，通过对石墨烯原料的成分分析，优选工艺和参数，从而得到所述石墨烯负极电极片。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：提供一种石墨烯负极电极片的制备方法，包括以下步骤：S1.以石墨烯为原料，进行喷雾干燥处理，得到石墨烯粉体，然后再对石墨烯粉体进行低温干燥处理；S2.将步骤S1制备得到的石墨烯粉体作为负极活性材料，与粘合剂以质量比为95:50进行研磨，研磨时间为30～50s；S3.然后加入NMP溶剂，继续研磨至均匀粘稠状，得到浆料；S4.将步骤S3得到浆料均匀涂在铜箔中，采用真空干燥，除去电极片中的NMP得到电极片；S5.将步骤S4中的电极片冲成直径为16mm的原片；其中，步骤S1中所述石墨烯的元素种类为97.78wt％的C、0.96wt％的N和1.26wt％的O，与电导率呈正相关性的碳氧质量比为77.6，石墨烯的片层粒径为238nm、片层厚度为1.87nm。优选地，步骤S1中所述低温干燥的时间为24h，温度为75℃。优选地，步骤S1中所述石墨烯粉体的含水量为5％。优选地，步骤S2中粘合剂为PVDF聚偏氟乙烯。优选地，步骤S3中所述NMP溶剂的加入量为70Wt％。优选地，步骤S4中所述真空干燥采用真空干燥箱。优选地，步骤S4中所述真空干燥温度为60～80℃，恒温时间12h～24h。优选地，步骤S1中所述石墨烯的制备方法如下：S11.制备膨胀石墨：采用膨胀石墨作为原料，具体地膨胀倍数在200～300；S12.预剥离：将步骤S11中膨胀石墨放置在预剥离超声反应装置中反应，得到预剥离物料；S13.剥离：将步骤S12中预剥离物料与剥离液混合，稀释后放置在二次超声反应装置中反应，得到剥离物料；S14.分离:将步骤S13中剥离物料压滤、分离，然后收集石墨滤饼，剥离液则可以循环使用；S15.清洗：将步骤S14中的石墨滤饼进行清洗，得到石墨烯；步骤S2中预剥离超声反应装置的温度为30～50℃、频率为10000～25000Hz、流速为1.0～4.0m3/h、循环搅拌速度为1000～2000r/min、超声分散时间为0.5～2.0h；步骤S3中二次超声反应装置的温度为30～50℃、频率为18000～25000Hz、流速为2.0～5.0m3/h、循环搅拌速度为1000～2000r/min、超声分散时间为2～5h。提供一种采用上述制备方法制备得到的石墨烯负极电极片，所述石墨烯负极电极片应用于超级电容器领域。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术石墨烯负极电极片在100mA/g的电流密度下，其循环比容量可以达到340mAh/g；虽然其首效不高(约为50％)，当充放电循环次数超过10次，其库伦效率可以达到98％以上，随着循环次数的增加不断增加至100％。大倍率条件下，该石墨烯负极电极片的循环比容量较小，可逆比容量约为25mAh/g；但是其大倍率循环性能优越，特别是在不同充放电倍率转换的条件下，依旧能够保持较高的循环稳定性。本专利技术的石墨烯负极电极片与有机电解液的相容性较好，在不添加导电剂的条件下，其电极和电解质界面上的电荷转移电阻Rct为243.9Ω，满足通常的锂离子电池使用需求。本专利技术石墨烯负极电极片大倍率循环稳定性(但循环容量较低)，可用于对循环容量要求不高、对大倍率循环稳定性要就极高的超级电容器领域。附图说明图1石墨烯XPS测试图谱。图2石墨烯SEM表征图谱。图3石墨烯TEM表征图谱，(a)为片层分布图，(b)为片层边缘放大图。图4石墨烯AFM表征图谱。图5石墨烯的Raman测试图谱。图6石墨烯负极材料在500mA/g电流密度下的充放电曲线。图7石墨烯负极材料在不同电流密度下的充放电循环及其效率图。图8石墨烯负极材料的倍率性能图谱。图9石墨烯负极材料的循环伏安(CV)图谱。图10Graphene负极交流阻抗测试得到的Nyquist图谱。图11预剥离装置示意图。图12二次超声剥离装置示意图其中，10-第一回流管道，12-超声装置，13-第一超声反应管道，14-第一连接管道，15-第一排料管，16-球阀，17-球阀，18-球阀，19-球阀，20-第一卸料口，21-流量计，22-离心泵，23-第二混料池，24-进料口，25-第二回流管道，26-反应釜，27-超声装置，28-第二连接管，29-第二卸料口，30-第二排料管，36-球阀，37-球阀，41-气源，42-气流管道，91-离心泵，92-流量计，93-球阀，94-进料口，95-球阀，96-第一混料池。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术。以下实施例仅为示意性实施例，并不构成对本专利技术的不当限定，本专利技术可以由
技术实现思路
限定和覆盖的多种不同方式实施。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、化合物和设备为本
常规试剂、化合物和设备。实施例1本实施例提供一种批量制备石墨烯的方法，包括以下步骤：S1.采用膨胀石墨作为原料，具体地膨胀倍数在200～300；S2.预剥离：将步骤S1中膨胀石墨放置在预剥离超声反应装置中反应，得到预剥离物料；S3.剥离：将步骤S2中预剥离物料与剥离液混合，稀释五倍后放置在二次超声反应装置中反应，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯负极电极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.以石墨烯为原料，进行喷雾干燥处理，得到石墨烯粉体，然后再对石墨烯粉体进行低温干燥处理；S2.将步骤S1制备得到的石墨烯粉体作为负极活性材料，与粘合剂以质量比为95:50进行研磨，研磨时间为30～50s；S3.然后加入NMP溶剂，继续研磨至均匀粘稠状，得到浆料；S4.将步骤S3得到浆料均匀涂在铜箔中，采用真空干燥，除去电极片中的NMP得到电极片；S5.将步骤S4中的电极片冲成直径为16mm的原片；其中，步骤S1中所述石墨烯的元素种类为97.78wt%的C、0.96wt%的N和1.26wt%的O，与电导率呈正相关性的碳氧质量比为77.6，石墨烯的片层粒径为238nm、片层厚度为1.87nm。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯负极电极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.以石墨烯为原料，进行喷雾干燥处理，得到石墨烯粉体，然后再对石墨烯粉体进行低温干燥处理；S2.将步骤S1制备得到的石墨烯粉体作为负极活性材料，与粘合剂以质量比为95:50进行研磨，研磨时间为30～50s；S3.然后加入NMP溶剂，继续研磨至均匀粘稠状，得到浆料；S4.将步骤S3得到浆料均匀涂在铜箔中，采用真空干燥，除去电极片中的NMP得到电极片；S5.将步骤S4中的电极片冲成直径为16mm的原片；其中，步骤S1中所述石墨烯的元素种类为97.78wt%的C、0.96wt%的N和1.26wt%的O，与电导率呈正相关性的碳氧质量比为77.6，石墨烯的片层粒径为238nm、片层厚度为1.87nm。2.根据权利要求1所述石墨烯负极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述低温干燥的时间为24h，温度为75℃。3.根据权利要求1所述石墨烯负极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述石墨烯粉体的含水量为5%。4.根据权利要求1所述石墨烯负极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S2中粘合剂为PVDF聚偏氟乙烯。5.根据权利要求1所述石墨烯负极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述NMP溶剂的加入量为70Wt%。6.根据权利要求1所述石墨烯负极电极片的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述真空干燥采用真空干燥箱。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：林前锋，李丽萍，
申请(专利权)人：湖南国盛石墨科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43