一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法。其包括以下步骤：将碳纤维改性后制备为石墨烯，将石墨烯引入四氧化三铁形成复合体，将复合体分散于氯化氢溶液中并加入苯胺单体、过硫酸铵聚合；将得到的产物煅烧后降至室温，得到碳包覆石墨烯。以该发明专利技术的方法制成得到的碳包覆石墨烯具有高容量、良好的导电性和稳定性以及长寿命，可作为锂电池负极材料应用。

Preparation of Carbon-coated Graphene as Anode Material for Lithium Batteries

【技术实现步骤摘要】
一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法
本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法。
技术介绍
随着科技的不断进步与现代化生活的日益更新，各种各样的电子产品设备已经成为人们日常生活中不可或缺的元素，而可充电电池作为便携设备的电力来源，其必要性和重要性是显而易见的。在所有可充电电池中，锂离子电池是目前市面上最为普遍、最为广泛的电池类型。锂电池的优势主要由：安全、环保、质量轻、体积小、比容量大、寿命长、使用温度范围宽、快速充电和放电等等。在我国，锂电池产业的发展随着国家新能源汽车政策的引导近期引发井喷之势，但是相关技术水平的限制导致我国锂电池产品与国际先进水平相比还有很大差距，其中，高性能的正负极材料的性能是瓶颈，制约了锂电池在电容量、循环使用寿命、安全性等方面的提高。石墨烯是由二维蜂窝状晶格紧密堆积组成的扁平单层碳原子组成，石墨烯中的碳原子以六面体的形式重复排列在二维平面内，其中碳原子通过C-Cσ键与相邻碳原子形成sp2杂化结构，键角为120°。Pz轨道的π电子可以在二维平面内自由的移动，赋予石墨烯良好的导电性。同时，石墨烯的载荷子具有很高的迁移率。有研究发现，锂离子可以在石墨烯的两侧存储，从而大大提高了储锂容量。此外，石墨烯边缘存在大量的活性位，以及边缘的含氧官能团，都可以提高储锂容量。石墨烯的超薄结构和微孔结构也便于锂离子的存储，因此石墨烯可以作为优秀的锂电池负极材料。但是，单一的石墨烯材料用作电极材料时，受到诸多因素的限制，如石墨烯比表面过大（理论值2630m2/g），片层之间容易团聚，大大提高了不可逆容量损失（较低的首次库仑效率（<73%））并降低了其作为电极材料电导率，从而给电极制片工艺方面带来不良影响。特别是，单一的石墨烯电极材料在大倍率充放电时，容量衰减太快。
技术实现思路
本专利技术要解决上述问题，提供一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法。本专利技术解决问题的技术方案是，提供一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将碳纤维置于惰性保护气氛下，升温至2000-2500℃后恒温2-3h；将热处理后的碳纤维浸入环氧树脂、甲基内次甲基四氢苯二甲酸酐、十二碳烯琥珀酸酐和2,4,6-三（二甲氨基甲基苯酚）的混合溶液中后，于60-70℃固化18-30h得到石墨烯；（2）将四氧化三铁和石墨烯以（5-8）:1的质量比加入乙醇溶液中，磁力搅拌1-2h后烘干得到复合体；（3）将复合体分散于氯化氢溶液中并超声分散30-40min；加入苯胺单体并持续搅拌，再缓慢加入过硫酸铵，并维持反应温度0-5℃；反应完毕后洗涤干燥得到产物；（4）将产物研磨后置于惰性保护气体、600-900℃下煅烧4-5h，煅烧完毕后降至室温，得到碳包覆石墨烯。优选地，步骤（1）中，所述碳纤维需要进行预处理：将碳纤维煅烧后浸入浓硝酸溶液、并在80-90℃的恒温下反应，然后加入PAMAM，并在20-30℃下反应12-18h。优选地，所述煅烧操作：将碳纤维于惰性保护气氛、150-250℃下煅烧，升温速率为2-5℃/min。优选地，步骤（2）中，所述四氧化三铁需要进行预处理：将四氧化三铁加入沸水中并搅拌得到产品a；将等质量金属粉加入沸水中并搅拌得到产品b；将产物b缓慢滴加至产品a中并于80-85℃搅拌2-3h后真空干燥得到改性四氧化三铁。优选地，将改性四氧化三铁于惰性保护气氛、350-400℃下煅烧5-6h后并研磨。优选地，所述金属粉选自Al粉、Zr粉、Mo粉、Ce粉以及Co粉中的一种或几种的组合。优选地，步骤（2）中，烘干后的复合体还需与N-甲基吡咯烷酮混合，送入球磨机球磨2-3h后再于70-80℃干燥。优选地，步骤（1）升温速度为以30-50℃/min。优选地，步骤（3）中，洗涤时，先后用甲醇和乙醇交替清洗2-3次。优选地，步骤（3）中，干燥时，于80-100℃真空干燥8-10h。本专利技术的有益效果：1.通过对负极材料的包覆，可以提高压实密度，密度可达2.0g/cm3，从而大幅提高电池容量和循环寿命。2.通过控制包覆材料的分子结构，可大大提高电极材料导电性能和稳定性，实现锂电池的高容量及效率稳定性。3.通过包覆后能使负极材料达到3000次以上的循环寿命并保持极好的稳定性能，效率仍然保持95%以上。4.通过包覆后，可以阻止电解液对电极材料的氧化和腐蚀，达到提高电池使用寿命和效率的目的。5.对成本较低的石墨烯进行包覆，从而降低锂电池成本。6.以碳纤维建立导电网络，保证电子快速传送；且碳纤维提供了足够的空间间隙，缓解了嵌锂/脱锂过程中巨大的体积膨胀，有限阻止反应中的极化现象。附图说明图1是实施例1中的锂电池负极材料碳包覆石墨烯在电子显微镜下的示意图。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施方式，并对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。实施例1一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法，包括以下步骤：（1）将碳纤维于惰性保护气氛、200℃下煅烧，升温速率为3℃/min。将煅烧后的碳纤维浸入浓硝酸溶液、并在85℃的恒温下反应，然后加入PAMAM，并在25℃下反应15h得到改性碳纤维。（2）将四氧化三铁加入沸水中并搅拌得到产品a；将等质量的Al粉加入沸水中并搅拌得到产品b；将产物b缓慢滴加至产品a中并于82℃搅拌2.5h后，呈糊状。将糊状物真空干燥后得到改性四氧化三铁。然后将改性四氧化三铁于惰性保护气氛、375℃下煅烧5.5h后研磨得到改性四氧化三铁粉。（3）将得到的改性碳纤维置于惰性保护气氛下，以40℃/min的速度升温至2250℃后恒温处理2.5h。将热处理后的碳纤维浸入环氧树脂、甲基内次甲基四氢苯二甲酸酐、十二碳烯琥珀酸酐和2,4,6-三（二甲氨基甲基苯酚）的混合溶液中后，于65℃固化25h得到石墨烯。（4）将得到的改性四氧化三铁粉和石墨烯以6:1的质量比加入乙醇溶液中，磁力搅拌1.5h后烘干得到复合体。烘干后的复合体还需与N-甲基吡咯烷酮混合，送入球磨机球磨2.5h后再于75℃干燥。（5）将干燥后的复合体分散于氯化氢溶液中并超声分散35min，其中，使用1mol/L的氯化氢溶液，且复合体和氯化氢溶液的比例为1g：1L。然后加入体积为氯化氢溶液的1%的苯胺单体并持续搅拌，再缓慢加入少量过硫酸铵，并维持反应温度2.5℃。反应完毕后先后用甲醇和乙醇交替清洗2次，再置于90℃真空干燥9h得到产物。（6）将产物研磨后置于惰性保护气体下、800℃下煅烧4.5h，煅烧完毕后降至室温，得到碳包覆石墨烯。制得的碳包覆石墨烯的电子显微镜放大图如图1所示。实施例2一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法，包括以下步骤：（1）将碳纤维于惰性保护气氛、150℃下煅烧，升温速率为2℃/min。将煅烧后的碳纤维浸入浓硝酸溶液、并在80℃的恒温下反应，然后加入PAMAM，并在20℃下反应12h得到改性碳纤维。（2）将四氧化三铁加入沸水中并搅拌得到产品a；将等质量的Zr、Mo混合粉加入沸水中并搅拌得到产品b；将产物b缓慢滴加至产品a中并于80℃搅拌2h后，呈糊状。将糊状物真空干燥后得到改性四氧化三铁。然后将改性四氧化三铁于惰性保护气氛、350℃下煅烧5h后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将碳纤维置于惰性保护气氛下，升温至2000‑2500℃后恒温2‑3h；将热处理后的碳纤维浸入环氧树脂、甲基内次甲基四氢苯二甲酸酐、十二碳烯琥珀酸酐和2,4,6‑三（二甲氨基甲基苯酚）的混合溶液中后，于60‑70℃固化18‑30h得到石墨烯；（2）将四氧化三铁和石墨烯以（5‑8）:1的质量比加入乙醇溶液中，磁力搅拌1‑2h后烘干得到复合体；（3）将复合体分散于氯化氢溶液中并超声分散30‑40min；加入苯胺单体并持续搅拌，再缓慢加入过硫酸铵，并维持反应温度0‑5℃；反应完毕后洗涤干燥得到产物；（4）将产物研磨后置于惰性保护气体、600‑900℃下煅烧4‑5h，煅烧完毕后降至室温，得到碳包覆石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将碳纤维置于惰性保护气氛下，升温至2000-2500℃后恒温2-3h；将热处理后的碳纤维浸入环氧树脂、甲基内次甲基四氢苯二甲酸酐、十二碳烯琥珀酸酐和2,4,6-三（二甲氨基甲基苯酚）的混合溶液中后，于60-70℃固化18-30h得到石墨烯；（2）将四氧化三铁和石墨烯以（5-8）:1的质量比加入乙醇溶液中，磁力搅拌1-2h后烘干得到复合体；（3）将复合体分散于氯化氢溶液中并超声分散30-40min；加入苯胺单体并持续搅拌，再缓慢加入过硫酸铵，并维持反应温度0-5℃；反应完毕后洗涤干燥得到产物；（4）将产物研磨后置于惰性保护气体、600-900℃下煅烧4-5h，煅烧完毕后降至室温，得到碳包覆石墨烯。2.根据权利要求1所述的一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述碳纤维需要进行预处理：将碳纤维煅烧后浸入浓硝酸溶液、并在80-90℃的恒温下反应，然后加入PAMAM，并在20-30℃下反应12-18h。3.根据权利要求2所述的一种用作锂电池负极材料的碳包覆石墨烯的制备方法，其特征在于：所述煅烧操作：将碳纤维于惰性保护气氛、150-250℃下煅烧，升温速率为2-5℃/min。4.根据权利要求1所述的一种用作锂电池负极材料的碳包覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建平，朴良德，
申请(专利权)人：浙江卡波恩新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33