一种高能量密度石墨烯电池负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高能量密度石墨烯电池负极材料的制备方法，属于储能材料技术领域。本发明专利技术在制备产品时，先准备原料，再将氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后超声分散，得分散液；随后将铁盐溶液滴加至分散液中，搅拌水解，得水解液，在此基础上，将水解液喷雾干燥，得前驱体，再将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000～1200℃条件下，高温反应，得还原石墨烯，随后将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得高能量密度石墨烯电池负极材料。本发明专利技术所得产品石墨烯片层结构层间距较宽，比表面积大，不易发生团聚，作为电极材料，能量密度大，循环稳定性好。

A preparation method of high energy density graphene anode material

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度石墨烯电池负极材料的制备方法
本专利技术涉及储能材料
，具体是一种高能量密度石墨烯电池负极材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池作为最先进的可充放电储能装置，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和储能系统等领域。然而，目前商业化锂离子电池的能量密度和使用寿命还不能满足其快速发展的应用需要。而负极材料的容量和工作电压是影响电池能量密度的重要因素，目前商用的负极材料为石墨，其来源丰富、价格便宜、能提供低而平稳的工作电压，但其比容量较小，因此，需要开发新型负极材料以满足锂离子电池高比能量和高比功率的需求。石墨烯是一种具有原子级蜂窝晶格结构的新型二维碳材料，具有电导率高，比表面积大，机械稳定性和化学稳定性优异的特点，是目前电化学储能装置研究中备受关注的电极材料之一，在锂离子电池和超级电容器领域具有巨大的应用前景。纯石墨烯材料容易发生团聚，丧失了其因高比表面积而具有的高储锂优势，故首次循环昆仑效率低、电压滞后以及循环稳定性较差，不能替代商用的石墨直接用作锂离子电池负极材料，因此，如何解决石墨烯制备负极材料时的团聚问题，是本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高能量密度石墨烯电池负极材料的制备方法，以解决现有技术中石墨烯负极材料由于分散问题及内部缺陷结构的存在，引起的产品能量密度和循环性能不足的弊端。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种高能量密度石墨烯电池负极材料的制备方法，具体制备步骤包括：(1)准备原料：按重量份数计，依次取10～30份氧化石墨烯，80～120份无水乙醇，1～5份硅酸酯，1～10份铁盐溶液；(2)超声分散：将氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后超声分散，得分散液；(3)水解：将铁盐溶液滴加至分散液中，搅拌水解，得水解液；(4)前驱体：将水解液喷雾干燥，得前驱体；(5)还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000～1500℃条件下，高温反应，得还原石墨烯；(6)纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得高能量密度石墨烯电池负极材料。进一步的，所述具体制备步骤包括：(1)准备原料：将氧化石墨烯和水按质量比为1：10～1：20搅拌反应，再加入氧化石墨烯质量1～10％的聚苯乙烯磺酸钠，搅拌反应后，过滤，洗涤，干燥，得预处理氧化石墨烯，按重量份数计，依次取10～30份预处理氧化石墨烯，80～120份无水乙醇，1～5份硅酸酯，1～10份铁盐溶液；(2)超声分散：将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后超声分散，得分散液；(3)水解：将铁盐溶液滴加至分散液中，搅拌水解，得水解液；(4)前驱体：将水解液喷雾干燥，得前驱体；(5)还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温后，再通入有机烷烃气体，于温度为1480～1500℃条件下，高温反应，得还原石墨烯；(6)纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得高能量密度石墨烯电池负极材料。进一步的，所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯中的任意一种。进一步的，所述铁盐为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁、磷酸亚铁中的任意一种。进一步的，所述有机烷烃气体为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯中的任意一种。进一步的，所述喷雾干燥为：于进风温度为100～150℃，出风温度为75～85℃，进料速率为10～20g/min，条件下，喷雾干燥。有益效果为：(1)本专利技术技术方案首先以氧化石墨烯为原料，氧化石墨烯的结构主体是由碳原子构成的蜂窝状六元环结构的碳平面，在碳平面和边缘处含有大量的含氧官能团，羟基和环氧基主要为于碳平面上，而羰基和羧基则主要出于石墨烯的边缘处，由于氧化石墨烯共轭区疏水，边缘区亲水，因此其自身具有一定的乳化性能，可在硅酸酯的乙醇溶液体系中稳定分散，再利用超声波的空化作用，使氧化石墨烯片层结构剥离，在滴加铁盐溶液的过程中，硅酸酯遇水分解，形成原硅酸胶体，胶体吸附铁盐溶液中金属铁离子的同时，将其固定在氧化石墨烯层间结构中；(2)为了解决氧化石墨烯经过充分还原后，石墨烯仍然会含有稳定性较高的羰基等，导致石墨烯结构中还可能存在的缺陷问题，本专利技术技术方案利用在高温条件下，首先利用氢气还原石墨烯以及内部嵌入的铁离子，形成的铁晶核被原硅酸水解产生的二氧化硅固定，随着温度进一步提升，铁晶核作为催化剂核心，催化缺陷处的活性碳原子与二氧化硅之间反应，形成碳化硅晶须，碳化硅晶须的产生，起到弥补氧化石墨烯结构中的缺陷，同时，晶须的产生可作为支撑体，有效避免在高温条件下，石墨烯层间结构的层间距重新收缩；而残余二氧化硅和铁晶核则会被氢氟酸清洗过程中得以去除，不会对产品纯度造成不良影响。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。预处理氧化石墨烯：将氧化石墨烯和水按质量比为1：10～1：20混合，再加入氧化石墨烯质量1～10％的聚苯乙烯磺酸钠，于超声频率为40～60kHz条件下超声分散10～30min后，于温度为65～75℃，搅拌转速为300～500r/min条件下，加热搅拌反应45～60min后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼3～5次，再将洗涤后的滤饼于温度为105～110℃条件下干燥至恒重，得预处理氧化石墨烯；准备原料：按重量份数计，依次取10～30份预处理氧化石墨烯，80～120份无水乙醇，1～5份硅酸酯，1～10份质量分数为1～10％的铁盐溶液；超声分散：将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后，于温度为25～70℃，超声频率为55～80kHz条件下，超声分散10～100min，待冷却至室温，得分散液；水解：于搅拌转速为300～500r/min条件下，边搅拌边将铁盐溶液以3～5g/min速率滴加至分散液中，待铁盐溶液滴加完毕后，继续搅拌水解反应1～2h，得水解液；前驱体：将水解液以10～20g/min速率通入喷雾干燥器中，于进风温度为100～150℃，出风温度为75～85℃条件下，喷雾造粒，得前驱体；还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温60～200min后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000～1500℃条件下，高温反应3～5h，得还原石墨烯；纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得高能量密度石墨烯电池负极材料。所述硅酸酯为硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯中的任意一种。所述铁盐为氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、磷酸铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁、磷酸亚铁中的任意一种。所述有机烷烃气体为甲烷、乙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能量密度石墨烯电池负极材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：/n(1)准备原料：按重量份数计，依次取10～30份氧化石墨烯，80～120份无水乙醇，1～5份硅酸酯，1～10份铁盐溶液；/n(2)超声分散：将氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后超声分散，得分散液；/n(3)水解：将铁盐溶液滴加至分散液中，搅拌水解，得水解液；/n(4)前驱体：将水解液喷雾干燥，得前驱体；/n(5)还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000～1500℃条件下，高温反应，得还原石墨烯；/n(6)纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得高能量密度石墨烯电池负极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度石墨烯电池负极材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：
(1)准备原料：按重量份数计，依次取10～30份氧化石墨烯，80～120份无水乙醇，1～5份硅酸酯，1～10份铁盐溶液；
(2)超声分散：将氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后超声分散，得分散液；
(3)水解：将铁盐溶液滴加至分散液中，搅拌水解，得水解液；
(4)前驱体：将水解液喷雾干燥，得前驱体；
(5)还原：将前驱体于氢气气氛中，加热至800～1000℃，保温后，再通入有机烷烃气体，于温度为1000～1500℃条件下，高温反应，得还原石墨烯；
(6)纯化：将还原石墨烯用氢氟酸超声清洗后，水洗，干燥，即得高能量密度石墨烯电池负极材料。


2.根据权利要求1所述的一种高能量密度石墨烯电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述具体制备步骤包括：
(1)准备原料：将氧化石墨烯和水按质量比为1：10～1：20搅拌反应，再加入氧化石墨烯质量1～10％的聚苯乙烯磺酸钠，搅拌反应后，过滤，洗涤，干燥，得预处理氧化石墨烯，按重量份数计，依次取10～30份预处理氧化石墨烯，80～120份无水乙醇，1～5份硅酸酯，1～10份铁盐溶液；
(2)超声分散：将预处理氧化石墨烯、无水乙醇和硅酸酯混合后超声分散，得分散液；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈开兵，
申请(专利权)人：陈开兵，
类型：发明
国别省市：江苏;32