石墨烯负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种石墨烯负极材料及其制备方法和应用，所述石墨烯负极材料的拉曼光谱I

【技术实现步骤摘要】
石墨烯负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种石墨烯负极材料及其制备方法和应用，属于碳材料及其应用领域。

技术介绍

[0002]锂离子电池是具有高能量密度、循环寿命长、对外界环境适应性强等优点，被广泛应用于便捷式电子设备、新能源汽车等领域。锂离子电池主要由正极、负极和电解液三部分组成，其中，常用正极材料主要是锂过渡金属氧化物，如磷酸铁锂(LiFePO4)、钴酸锂(LiCoO2)、三元材料等，常用负极材料主要为石墨，如天然石墨等。对于负极来说，石墨可以提供较低而平稳的工作电压，且循环寿命长，库伦效率高，但其理论容量较低，仅372mA h g
‑1，极大限制了锂离子电池的电化学性能的提高(Journal of Energy Chemistry 2020；49；233
‑
242)。因此，研发高性能负极材料是优化锂离子电池性能、促进锂离子电池向电动设备应用发展的有效方式。
[0003]石墨烯是一种新型二维结构的碳纳米材料，被认为是目前最薄、强度最大的材料，在电极材料方面具有较大的应用潜力。目前的石墨烯通常是和硅等物质复合形成复合材料后再应用于电池负极，以保证电池的容量、循环性等性能，例如专利文献CN102306757A公开了一种锂离子电池硅石墨烯复合负极材料，由硅粉、石墨烯和无定型碳组成，石墨烯构成具有内部空腔的三维立体导电网络，并将硅粉包裹在其内部空腔内，形成球形或类球形的复合颗粒；CN109592674A公开了一种石墨烯负极材料，包括石墨烯、可溶性中间相沥青、中间相微米级炭微球，可溶性中间相沥青包覆在中间相微米级炭微球表面形成核壳颗粒，该核壳颗粒分布在石墨烯的内部。因此，研发新型石墨烯材料，提升其作为负极活性物质的性能，对于提高负极及电池的循环性等性能具有重要意义，这也是本领域技术人员所面临的重要课题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种石墨烯负极材料及其制备方法和应用，该石墨烯负极材料可直接作为负极活性物质，并能够显著提高负极及电池的循环性等性能，有效克服现有技术存在的缺陷。
[0005]本专利技术的一方面，提供一种石墨烯负极材料，所述石墨烯负极材料的拉曼光谱I
D
/I
G
满足0.1≤I
D
/I
G
≤2；所述石墨烯负极材料的平均粒径为500nm～2500nm。
[0006]根据本专利技术的一实施方式，所述石墨烯负极材料的X射线衍射(XRD)分析结果显示：(002)层间距的衍射角2θ为23
°
～25
°
；和/或，所述石墨烯负极材料的比表面积为1m2/g～5m2/g；和/或，所述石墨烯负极材料的碳含量不低于99.99％；和/或，所述石墨烯负极材料包括层数为1～10的石墨烯。
[0007]本专利技术的另一方面，提供一种上述石墨烯负极材料的制备方法，包括：采用气流粉碎机对石墨烯原料进行粉碎处理，得到所述石墨烯负极材料。
[0008]根据本专利技术的一实施方式，所述粉碎处理过程中，所述气流粉碎机的转速为100
‑
50000r/min；和/或，所述粉碎处理的时间为1
‑
48h。
[0009]根据本专利技术的一实施方式，还包括石墨烯原料的制备过程，所述石墨烯原料的制备过程包括：将石墨原料加入反应釜中，向其中通入气体至通入所述反应釜中的气体为超临界状态，使石墨原料在所述超临界状态下进行插层反应；反应120
±
50min后，反应结束，使反应釜泄压，以剥离反应后的石墨原料，得到石墨烯原料。
[0010]本专利技术的另一方面，提供一种负极片，包括负极集流体和位于所述负极集流体表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层包括负极活性物质、导电剂和粘结剂，所述负极活性物质包括上述石墨烯负极材料。
[0011]根据本专利技术的一实施方式，所述负极活性物质层中，所述负极活性物质的质量含量为50％～94％。
[0012]根据本专利技术的一实施方式，所述导电剂包括炭黑；和/或，所述负极活性物质层中，所述导电剂的质量含量为1.5％～45.5％；和/或，所述粘结剂包括聚偏氟乙烯；所述负极活性物质层中，所述粘结剂的质量含量为4.5％～45.5％。
[0013]本专利技术的另一方面，提供一种上述负极片的制备方法，包括：将所述负极活性物质、导电剂、粘结剂与分散剂混合，制成浆料；所述分散剂包括氮甲基吡咯烷酮；将所述浆料涂敷于集流体表面，经干燥、辊压后形成负极活性物质层，得到所述负极片。
[0014]本专利技术的另一方面，提供一种锂离子电池，包括上述负极片。
[0015]本专利技术中，石墨烯负极材料的I
D
/I
G
满足0.1≤I
D
/I
G
≤2，具有适宜的缺陷密度，同时具有小粒径特征，在负极片中引入具有该些特征的超细石墨烯(即石墨烯负极材料)作为负极活性物质，利于锂离子的嵌入和脱出，对锂离子具有良好的存储能力，且具有良好的导电性、力学性能以及高容量等优点，可直接作为负极活性物质，无需和硅等材料复合，使用更为方便，且能够显著提高负极及电池的容量、循环性等性能，研究显示，采用该石墨烯负极材料作为负极活性物质的电池，具有更宽的电压平台及优异的倍率性能，可提供较低且平稳的工作电压，同时在不同的电流密度下均具有高可逆容量(在200mAg
‑1条件下，其可逆容量可高达542mA h g
‑1以上)；此外，本专利技术的石墨烯负极材料还具有制备过程简单、效率高等优点，对于实际产业化应用具有重要意义。
附图说明
[0016]图1为实施例1制得的石墨烯负极材料的扫描电镜图；
[0017]图2为实施例1的锂离子电池的倍率性能曲线图；
[0018]图3为实施例1的锂离子电池在400mA g
‑1电流下的循环性能曲线图；
[0019]图4为采用实施例2的石墨烯负极材料、石墨及常规石墨烯分别作为负极活性物质的锂离子电池的倍率性能曲线图；
[0020]图5为采用实施例2的石墨烯负极材料、石墨及常规石墨烯分别作为负极活性物质的锂离子电池在200mA g
‑1的电流密度下的充放电曲线图；
[0021]图6为实施例3制得的石墨烯负极材料的透射电镜图；
[0022]图7为实施例3的锂离子电池的倍率性能曲线图；
[0023]图8为实施例3的锂离子电池在600mA g
‑1下的充放电曲线图；
[0024]图9为实施例3的锂离子电池在800mA g
‑1下的充放电曲线图；
[0025]图10为实施例3制得的石墨烯负极材料的拉曼光谱图；
[0026]图11为实施例2制得的石墨烯负极材料的X
‑
射线衍射(XRD)图。
具体实施方式
[0027]为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的方案，下面对本专利技术作进一步地详细说明。以下所列举具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯负极材料，其特征在于，所述石墨烯负极材料的拉曼光谱I
D
/I
G
满足0.1≤I
D
/I
G
≤2；所述石墨烯负极材料的平均粒径为500nm～2500nm。2.根据权利要求1所述的石墨烯负极材料，其特征在于，所述石墨烯负极材料的X射线衍射(XRD)分析结果显示：(002)层间距的衍射角2θ为23
°
～25
°
；和/或，所述石墨烯负极材料的比表面积为1m2/g～5m2/g；和/或，所述石墨烯负极材料的碳含量不低于99.99％；和/或，所述石墨烯负极材料包括层数为1～10的石墨烯。3.权利要求1所述的石墨烯负极材料的制备方法，其特征在于，包括：采用气流粉碎机对石墨烯原料进行粉碎处理，得到所述石墨烯负极材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述粉碎处理过程中，所述气流粉碎机的转速为100
‑
50000r/min；和/或，所述粉碎处理的时间为1
‑
48h。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，还包括石墨烯原料的制备过程，所述石墨烯原料的制备过程包括：将石墨原料加入反应釜中，向其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永峰，马新龙，张细璐，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：