一种磷基化三维石墨烯复合材料及其制备方法、锂离子电池技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种磷基化三维石墨烯复合材料及其制备方法、锂离子电池。本发明专利技术的磷基化三维石墨烯复合材料的制备方法包括如下步骤：1）将氧化石墨烯、磷酸盐在水中混合均匀，然后加入氧化剂混合均匀，然后在100

【技术实现步骤摘要】
一种磷基化三维石墨烯复合材料及其制备方法、锂离子电池


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种磷基化三维石墨烯复合材料及其制备方法、锂离子电池。

技术介绍

[0002]目前锂离子的负极材料除了石墨材料外，石墨烯等新型负极材料也在较多地使用。石墨烯以其良好的导电性能、机械性能以及高的比表面积，在锂离子电池领域的应用范围越来越大。但是，由于石墨烯自身比容量低、首次效率低，造成其应用于负极材料时会造成材料的团聚，影响电池体系正极材料的克容量发挥。
[0003]为了提高石墨烯的综合性能，目前也在不断地对石墨烯进行改性，开发出了各种不同类型的改性石墨烯。石墨烯的磷掺杂就是一种改性方式，这种方式可以保留石墨烯自身良好的导电性、机械性能，还可以提升材料的克容量发挥，且在材料中容易形成孔洞，提升石墨烯自身的储锂效果，同时磷的掺杂还可以提升材料的电子导电性。
[0004]现有的石墨烯与磷化合物物理混合的方式，会造成材料的掺杂均匀性差，磷不能均匀掺杂进石墨烯的层间并不能提升材料的电子导电性，对材料的储锂性能提升有限，改善效果不明显。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种磷基化三维石墨烯复合材料及其制备方法、锂离子电池，这种复合材料容量高、导电性好。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一种磷基化三维石墨烯复合材料，所述磷基化三维石墨烯复合材料为核壳结构，内核为掺杂磷的氧化石墨烯，外壳为石墨烯。
[0008]所述掺杂磷的氧化石墨烯中，磷的质量分数为1
‑
5wt％。
[0009]所述的石墨烯复合材料的比表面积为(100～200)m2/g，
[0010]一种磷基化三维石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0011]1)将氧化石墨烯、磷酸盐在水中混合均匀，然后加入氧化剂混合均匀，然后在100
‑
200℃、1
‑
5MPa下反应1
‑
6h，然后用盐酸清洗，得到多孔材料A；所述磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵中的一种；所述氧化剂为过氧化氢；
[0012]2)将步骤1)制得的多孔材料A、催化剂在水中浸泡1
‑
12h，固液分离，得到多孔材料B；所述催化剂为氯化镍、氯化铁、氯化钴、硝酸镍、硝酸铁、硝酸钴中的任意一种；
[0013]3)将步骤2)制得的多孔材料B在碳源气体存在条件下于600
‑
1000℃保温1
‑
6h，然后通入氩气和氢气的混合气体，在1000
‑
1200℃下保温1
‑
6h，得到磷基化三维石墨烯复合材料；所述碳源气体为甲烷、乙炔、乙烷中的至少一种。
[0014]步骤1)中的氧化石墨烯、磷酸盐的质量比为100:10
‑
30。
[0015]步骤1)中的氧化石墨烯、氧化剂的质量比为100:1
‑
5。
[0016]步骤1)中盐酸的浓度为0.1
‑
0.5mol/L。
[0017]步骤1)中将氧化石墨烯、磷酸盐在水中混合均匀是将氧化石墨烯液与磷酸盐混合均匀，所述氧化石墨烯液由氧化石墨烯加入水中混合均匀制得。氧化石墨烯液中氧化石墨烯与水的质量比为0.1
‑
1:100。
[0018]步骤1)中将氧化石墨烯、磷酸盐在水中混合均匀是超声分散。
[0019]步骤1)中用盐酸清洗后再采用去离子水清洗。
[0020]步骤1)中用去离子水清洗后进行冷冻干燥。
[0021]步骤2)中多孔材料A与催化剂的质量比为100:1
‑
5。
[0022]步骤2)中将催化剂、多孔材料A在水中浸泡是将多孔材料A加入催化剂液中，所述催化剂液由催化剂加入水中制成。催化剂加入水中时催化剂与水的质量比为1
‑
5:100。
[0023]步骤3)中多孔材料B在碳源气体存在条件下反应是将多孔材料B置于管式炉中，然后通入惰性气体，排出管内的空气。然后再通入碳源气体，升温至600
‑
1000℃。碳源气体的通入速度为10
‑
100sccm。在1000
‑
1200℃保温反应1
‑
6h后，改通惰性气体降温至室温。惰性气体为氩气或氮气。
[0024]氩气和氢气的混合气体由氩气和氢气以体积比1：1组成。
[0025]一种锂离子电池，包括正极片、负极片，负极片包括负极活性物质，所述负极活性物质为上述的复合负极材料。
[0026]本专利技术的有益效果：
[0027]本专利技术的磷基化三维石墨烯复合材料通过水热反应将磷均匀掺杂在氧化石墨烯层间，得到掺杂氮磷的氧化石墨烯，这种掺杂结构能够大幅度提升材料的电子导电率，并提升倍率性能。磷酸盐具有催化作用，在材料间形成孔洞，还可以根据磷酸盐的掺杂比例调整磷的掺杂量及其材料的孔洞分布数量，提升材料的储锂效果，进而提升材料的比容量。进一步的，在氧化石墨烯表面吸附催化剂，在通过气相沉积法法，碳自由基通过催化剂将氧化石墨烯与气相沉积的石墨烯相互连接生成网络结构的三维石墨烯材料，三维石墨烯结构一方面提升材料的储锂效果，另一方面提升材料的比表面积和保液性能。
附图说明
[0028]图1为实施例1制备出的磷基化三维石墨烯复合材料的充放电曲线图。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术所要解决的技术问题、采取的技术方案以及达到的技术效果更容易理解，下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地说明。
[0030]实施例1
[0031]本实施例的磷基化三维石墨烯复合材料的制备方法包括如下步骤：
[0032]1)取2000mL氧化石墨烯液，氧化石墨烯由氧化石墨烯加入水中分散均匀得到，氧化石墨烯液中的氧化石墨烯占水质量的0.5wt％；
[0033]向氧化石墨烯液中加入20g磷酸二氢铵，然后超声分散均匀，然后加入3g质量分数为30wt％的双氧水作为氧化剂，然后转移至高压反应釜中，在温度为150℃、压强为3MPa的条件下反应3h，然后自然降温至室温。然后过滤，得到过滤后清洗固体，具体的，用浓度为
0.1mol/L的稀盐酸清洗，然后用去离子水洗涤，然后在
‑
30℃下冷冻干燥1h，得到多孔掺杂氮磷的氧化石墨烯材料；
[0034]2)将3g氯化铁加入100ml去离子水中，混合均匀，制成催化剂溶液，然后向其中加入100g步骤1)制得的多孔掺杂氮磷氧化石墨烯材料，浸泡6h，然后过滤，得到含有氯化铁催化剂的多孔掺杂氮磷氧化石墨烯材料；
[0035]3)将步骤2)中的含有氯化铁催化剂的多孔掺杂氮磷氧化石墨烯材料转移到管式炉中，通入氩气惰性气体排出管内空气，然后通入甲烷作为碳源气体，并在气体流速为50sccm的速度下，升温到800℃并保温3h本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷基化三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述磷基化三维石墨烯复合材料为核壳结构，内核为掺杂磷的氧化石墨烯，外壳为石墨烯。2.根据权利要求1所述的磷基化三维石墨烯复合材料，其特征在于，所述掺杂磷的氧化石墨烯中，磷的质量分数为1
‑
5wt％。3.一种磷基化三维石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将氧化石墨烯、磷酸盐在水中混合均匀，然后加入氧化剂混合均匀，然后在100
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200℃、1
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5MPa下反应1
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6h，然后用盐酸清洗，得到多孔材料A；所述磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵中的一种；所述氧化剂为过氧化氢；2)将步骤1)制得的多孔材料A、催化剂在水中浸泡1
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12h，固液分离，得到多孔材料B；所述催化剂为氯化镍、氯化铁、氯化钴、硝酸镍、硝酸铁、硝酸钴中的任意一种；3)将步骤2)制得的多孔材料B在碳源气体存在条件下于600
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1000℃保温1
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6h，然后通入氩气和氢气的混合气体，在1000
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1200℃下保温1
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6h，得到磷基化三维石墨烯复合材料；所述碳源气体为甲烷、乙炔、乙烷中的至少一种。4.根据权利要求3所述的磷基化三维石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中的氧化石墨烯、磷酸盐的质量比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，
申请(专利权)人：河南益康创富新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：