一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料及其制备方法，该制备方法通过离心工艺得到充分剥离的氧化石墨烯片层，同时调整氧化石墨烯浓度以及在惰性气氛下加压高温处理方法，得到了少层的石墨烯包覆硬碳纤维复合材料，微应力一方面避免了硬碳纤维的破裂，同时避免了石墨烯片层的无序堆叠。本方法设计合理，操作简易，成本低廉，采用物理吸附和化学法准确实现少层石墨烯包覆硬碳纤维复合材料的制备。最终解决了以往研究中固态电解质界面与负极材料之间不兼容的问题。料之间不兼容的问题。料之间不兼容的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳负极材料
，涉及一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]钠离子电池由于其性能突出且资源丰富而被广泛研究。对于负极材料而言，碳材料显示出良好的储钠性能而成为主流研究材料。但仍需要改进其综合性能以满足实际需要。碳材料的界面特征对储钠性能有着重要影响，因为电解液中的溶剂化钠离子会首先在负极界面发生去溶剂化并逐渐向内部迁移。因此，合理设计界面结构是储钠性能提升的关键。迄今为止，人们普遍接受碳负极表面会在首圈形成固态电解质界面，该界面层厚度从几纳米到几十纳米不等，其阻碍电子转移从而避免内部短路。然而该界面层也会随着充放电进行而发生部分破裂从而影响稳定性。人们已经进行了很多实验以优化界面稳定性，例如通过调控电解液组分，调控暴露晶面或者人工构建界面等，但是从技术实现难度和性能提升效果而言，仍需要进一步研究以改善性能，原因在于电解液自身分解形成的界面与碳负极之间存在不兼容情况。因此，需要合理设计制备工艺并进行微观结构调控，从而进一步提升综合储钠性能。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料及其制备方法，从而解决现有技术中电解液自身分解形成的负极界面与碳负极之间存在不兼容，导致电池性能不佳的技术问题。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0005]一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1：对氧化石墨烯悬浊液进行离心处理，取上清液，所述上清液中氧化石墨烯的浓度为0.01～0.1mg
·
mL
‑1；
[0007]S2：将棉布浸泡在所述上清液中，静置处理后取出干燥，得到吸附有氧化石墨烯片层的棉布；
[0008]S3：将所述吸附有氧化石墨烯片层的棉布置于惰性气氛中进行热处理，同时对其施加100～400Pa的应力，制得所述石墨烯包覆硬碳纤维复合材料；所述石墨烯包覆硬碳纤维复合材料中石墨烯包覆层的层数小于10层。
[0009]优选的，步骤S1中，在8000～9000r/min下进行离心，收集沉淀物，然后将所述沉淀物在3000～3500r/min下进行离心处理，收集上清液。
[0010]优选的，步骤S2中，所述棉布包括天然纤维素或人工纤维素。
[0011]优选的，步骤S2中，所述干燥条件为自然风干。
[0012]优选的，步骤S3中，热处理温度为1000～1400℃。
[0013]优选的，步骤S3中，热处理时间为1h。
[0014]优选的，步骤S3中，施加应力的过程具体为：将吸附有氧化石墨烯片层的棉布置于两个水平放置的石墨板或刚玉板之间，并施加应力。
[0015]一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料，通过上述的方法制得；所述石墨烯包覆硬碳纤维复合材料中石墨烯包覆层的层数小于10层。
[0016]一种负极材料，包含有上述的一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料。
[0017]一种钠离子电池，包含有上述的一种负极材料；所述钠离子电池在50mA
·
g
‑1的电流密度下，经首圈活化后可逆容量为210～280mAh
·
g
‑1。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0019]本专利技术公开了一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料的制备方法，对氧化石墨烯悬浊液进行离心浓缩处理，可以去除掉片层过度破碎的氧化石墨烯，收集片层完整的沉物，再对沉物进行离心后收集上清，可以除掉未被氧化剥离的石墨颗粒，从而得到完全剥离且片层完整的氧化石墨烯悬浊液。同时调整氧化石墨烯浓度以及在惰性气氛下加压高温处理方法，得到了少层的石墨烯包覆硬碳纤维复合材料，该石墨烯包覆硬碳纤维复合材料中石墨烯包覆层的层数小于10层。上清液中氧化石墨烯的浓度为0.01～0.1mg
·
mL
‑1，可以确保棉布表面会吸附少层氧化石墨烯片层，并且离心后的充分剥离的氧化石墨烯可以与电解液同时形成固态电解质界面，从而提升电极稳定性。在进行热处理的同时，施加微应力，该微应力一方面避免了硬碳纤维的破裂，同时避免了石墨烯片层的无序堆叠。应力为100～400Pa，使得石墨烯片层在重排过程中逐渐有序化，最终形成了少层石墨烯包覆硬碳纤维复合材料。本方法设计合理，操作简易，成本低廉，采用物理吸附和化学法准确实现少层石墨烯包覆硬碳纤维复合材料的制备。最终解决了以往研究中固态电解质界面与负极材料之间不兼容的问题。
[0020]进一步的，步骤S1中，所述离心处理过程为将氧化石墨烯悬浊液在8000～9000r/min下进行离心，收集沉淀物，然后将所述沉淀物在3000～3500r/min下进行离心处理，收集上清液，在该转速下离心处理得到的氧化石墨烯片层完整且被充分剥离，并且调节所述氧化石墨烯悬浊液的浓度为0.01～0.1mg
·
mL
‑1，可使得氧化石墨烯层数较少，有助于构建少层结构。
[0021]进一步的，步骤S2中，干燥条件为自然风干，避免高温破坏薄层氧化石墨烯片层。
[0022]进一步的，步骤S3中，热处理温度为1000～1400℃，有效实现了棉布在碳化转变为硬碳时，其结晶性以及缺陷度的有效调整。
[0023]进一步的，步骤S3中，施加应力的过程具体为：将吸附有氧化石墨烯片层的棉布置于两个水平放置的石墨板或刚玉板之间，并施加应力，石墨板或刚玉板的稳定性良好，在热处理过程中不会发生物相的变化，有效保证了产物的纯度。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0025]图1为本专利技术中一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料制备方法的流程示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例1制得的石墨烯包覆硬碳纤维复合材料的透射电子扫描图；
[0027]图3为本专利技术实施例1制得的石墨烯包覆硬碳纤维复合材料在高倍率下的透射电子扫描图；
[0028]图4为本专利技术实施例1制得的石墨烯包覆硬碳纤维复合材料在高倍率下的透射电子扫描图；
[0029]图5为本专利技术实施例1制得的石墨烯包覆硬碳纤维复合材料倍率性能图；
[0030]图6为本专利技术实施例1制得的石墨烯包覆硬碳纤维复合材料在放电后的透射电子扫描图。
具体实施方式
[0031]为使本领域技术人员可了解本专利技术的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本专利技术所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对氧化石墨烯悬浊液进行离心处理，取上清液，所述上清液中氧化石墨烯的浓度为0.01～0.1mg
·
mL
‑1；S2：将棉布浸泡在所述上清液中，静置处理后取出干燥，得到吸附有氧化石墨烯片层的棉布；S3：将所述吸附有氧化石墨烯片层的棉布置于惰性气氛中进行热处理，同时对其施加100～400Pa的应力，制得所述石墨烯包覆硬碳纤维复合材料；所述石墨烯包覆硬碳纤维复合材料中石墨烯包覆层的层数小于10层。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，其特征在于，步骤S1中，所述离心处理过程为将氧化石墨烯悬浊液在8000～9000r/min下进行离心，收集沉淀物，然后将所述沉淀物在3000～3500r/min下进行离心处理，收集上清液。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述棉布包括天然纤维素或人工纤维素。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯包覆硬碳纤维复合材料的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓旭，计天溢，申泽骧，盛大伟，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：