一种三维石墨烯复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三维石墨烯复合材料及其制备方法和应用，所述三维石墨烯复合材料为NiCo2O4‑

A three dimensional graphene composite and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种三维石墨烯复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于新能源材料
，具体涉及一种三维石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]为了实现动力电池的发展规划目标，国内企业和研究机构都在研究如何提高动力电池的能量密度。虽然影响动力电池性能的不仅仅是比能量密度一个指标，还有动力电池的比功率密度、安全性、一致性、循环寿命等多种因素，但是能量密度确实是一个关键的因素，而提高能量密度的一个关键参数就是材料的比容量。就传统的碳负极材料而言，其理论比容量较低，未来想要达到500Wh/kg的技术路线规划目标，难度较大，因此，开发新一代锂离子电池负极材料对于实现这一宏伟目标，是一个重要的因素。
[0003]氧化还原型氧化物电极材料，作为锂离子电池负极材料，其丰富的氧化还原性质和高容量，备受研究者的青睐，但金属氧化物材料的导电性较差，其倍率容量较低；同时，在反复充放电过程中，体积会发生严重的膨胀与收缩效应，导致材料粉化，使得该材料的循环稳定性较差。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术第一目的是提供一种NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料，本专利技术第二目的是提供该NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料的制备方法，本专利技术第三目的是提供该NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料在化学能源中的应用。r/>[0005]技术方案：为了解决上述技术问题，本专利技术所述一种NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料是三维大孔网络结构，其中NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳纳米管被三维石墨烯的网络所包裹，所述NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳纳米管穿插在三维石墨烯的片层之间。
[0006]本专利技术所述的一种NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)制备表面修饰的聚吡咯纳米管；
[0008]2)将步骤1)制备的聚吡咯纳米管作为基底材料，在其表面生长镍钴基前驱体复合材料获得ppy@NiCo2‑
Pre复合材料；
[0009]3)以ppy@NiCo2‑
Pre复合材料与氧化石墨烯溶液进行水热自组装形成ppy@NiCo2‑
Pre@GO水凝胶；
[0010]4)以ppy@NiCo2‑
Pre@GO水凝胶作为前驱体，高温炭化还原和低温氧化形成NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料。
[0011]进一步地，步骤1)中，所述的表面修饰的聚吡咯纳米管的制备步骤包括以下步骤：将六水合氯化铁溶解在甲基橙溶液中，磁力搅拌，然后将吡咯单体缓慢地滴入上述溶液中，
继续搅拌，离心，洗涤，干燥，最后将所获得的聚吡咯纳米管分散在十二烷基磺酸钠溶液中，超声分散，离心分离，干燥。
[0012]进一步地，所述甲基橙溶液中的甲基橙浓度是5mmol/L，所述六水合氯化铁，甲基橙，吡咯单体的摩尔比是1.5：0.15：(1.5
‑
2.25)。
[0013]进一步地，步骤2)中，所述ppy@NiCo2‑
Pre复合材料的制备包括以下步骤：将步骤1)聚吡咯纳米管加到镍盐和钴盐的甲醇溶液中，超声，搅拌得到混合溶液，将六亚甲基四胺加到所述混合溶液中，超声搅拌后，进行水热反应即得。
[0014]进一步地，所述钴盐是硝酸钴、醋酸钴、硫酸钴、氯化钴及其含水盐中的一种；所述镍盐是硝酸镍、醋酸镍、硫酸镍、氯化镍及其含水盐中的一种；所述聚吡咯纳米管的浓度为0.5
‑
4g/L，所述镍盐的浓度为0.01
‑
0.02mol/L，所述镍盐与钴盐的摩尔比为1:2，所述六亚甲基四胺的浓度为11.2
‑
80g/L，所述水热反应温度为140
‑
220℃，所述水热反应时间为6
‑
18h。
[0015]进一步地，步骤3)中，所述ppy@NiCo2‑
Pre@GO水凝胶的制备包括以下步骤：将步骤2)所获得的ppy@NiCo2‑
Pre复合材料分散在水中，超声得到溶液，然后将氧化石墨烯水溶液倒入所述溶液中，超声分散，进行水热反应即得。
[0016]进一步地，所述氧化石墨烯与ppy@NiCo2‑
Pre的质量比是1：(1
‑
6)，所述氧化石墨烯水溶液的浓度≥0.5mg/mL，所述水热反应温度为90
‑
180℃，所述水热反应时间为1
‑
12h。
[0017]进一步地，步骤4)中，所述高温炭化还原是在管式炉中进行，在惰性气体保护下，升温速率为1
‑
10℃/min，煅烧温度为大于500℃，保温时间为2
‑
10h，低温氧化是在空气氛围中进行的，升温速率为1
‑
10℃/min，煅烧温度为150
‑
300℃，保温时间为2
‑
12h。
[0018]本专利技术所述一种NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料在化学电源中的应用。
[0019]具体地，所述化学电源，包括：
[0020](1)正极材料为金属锂片或者商业正极材料(如磷酸铁锂，锰酸锂，钴酸锂，三元材料等)；
[0021](2)电解液为1mol/L的LiPF6分散在碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯/碳酸乙基甲酯溶液中(其中碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯与碳酸乙基甲酯体积比1:1:1)；
[0022](3)负极材料为本专利技术方法制备的NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料制成；
[0023](4)隔膜为Celgard 2400。
[0024]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：
[0025](1)本专利技术制备的NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料，具有优异的倍率容量以及循环稳定性；
[0026](2)本专利技术采用水热自组装结合高温煅烧的方法合成的NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料，以聚吡咯及其衍生的氮掺杂碳纳米管作为导电基底，有利于活性材料NiCo2O4‑
NiO
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Ni2O3纳米化，同时避免活性材料团聚，提高材料的导电性；而纳米级活性材料，有利于缓解活性材料的体积膨胀效应，缩短锂离子扩散距离，增加反应活性位点；最外层的三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述NiCo2O4‑
NiO
‑
Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯是三维大孔网络结构，其中NiCo2O4‑
NiO
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Ni2O3/氮掺杂碳纳米管被三维石墨烯的网络所包裹，所述NiCo2O4‑
NiO
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Ni2O3/氮掺杂碳纳米管穿插在三维石墨烯的片层之间。2.权利要求1所述的一种NiCo2O4‑
NiO
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Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备表面修饰的聚吡咯纳米管；2)将步骤1)制备的聚吡咯纳米管作为基底材料，在其表面生长镍钴基前驱体复合材料获得ppy@NiCo2‑
Pre复合材料；3)以ppy@NiCo2‑
Pre复合材料与氧化石墨烯溶液进行水热自组装形成ppy@NiCo2‑
Pre@GO水凝胶；4)以ppy@NiCo2‑
Pre@GO水凝胶作为前驱体，高温炭化还原和低温氧化形成NiCo2O4‑
NiO
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Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料。3.根据权利要求2所述的一种NiCo2O4‑
NiO
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Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的表面修饰的聚吡咯纳米管的制备步骤包括以下步骤：将六水合氯化铁溶解在甲基橙溶液中，磁力搅拌，然后将吡咯单体缓慢地滴入上述溶液中，继续搅拌，离心，洗涤，干燥，最后将所获得的聚吡咯纳米管分散在十二烷基磺酸钠溶液中，超声分散，离心分离，干燥。4.根据权利要求3所述的一种NiCo2O4‑
NiO
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Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述甲基橙溶液中的甲基橙浓度是5mmol/L，所述六水合氯化铁、甲基橙、吡咯单体的摩尔比是1.5：0.15：1.5
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2.25。5.根据权利要求2所述的一种NiCo2O4‑
NiO
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Ni2O3/氮掺杂碳/三维石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述ppy@NiCo2‑
Pre复合材料的制备包括以下步骤：将步骤1)聚吡咯纳米管加到镍盐和钴盐的甲醇溶液中，超声，搅拌得到混合溶液，将六亚甲基四胺...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘安然，陆小军，刘松琴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：