锂离子电池石墨烯纳米片－氧化亚钴复合负极材料及其制备方法技术

一种电池技术领域的锂离子电池石墨烯纳米片－氧化亚钴复合负极材料及其制造方法。负极材料由石墨烯纳米片和氧化亚钴组成，石墨烯纳米片交错分布在氧化亚钴颗粒上，石墨烯纳米片的质量分数为５－９０％，石墨烯纳米片的厚度为１－５０纳米，氧化亚钴的粒径为１０－５００纳米。制备方法：先将氧化石墨超声或搅拌分散在醇－水溶液或水溶液中，加入钴盐和碱、还原剂，搅拌后倒入水热釜中；进一步密封、同步水热反应、洗涤、过滤、烘干，得到石墨烯纳米片－氢氧化钴复合物，将其在保护气氛下处理得到石墨烯纳米片－氧化亚钴复合负极材料。本发明专利技术以２００ｍＡ／ｇ的电流进行充放电时，材料的可逆比容量可以稳定在９００ｍＡｈ／ｇ以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电池
的电极材料及其制备方法，特别是一种锂离子电池 石墨烯纳米片-氧化亚钴复合负极材料及其制备方法。
技术介绍
自从Nature 2000，407，496报道将过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料应 用以来，已有许多研究者对其进行深入研究。作为锂离子电池负极材料，CoO的理论比容量 高达715mAh/g，约为石墨化碳材料的2倍。尽管报道中的CoO具有较高的比容量，但其首次 效率和循环性能均较差，如文献J. Power Sources 2002，109，142报道，其20次循环后的可 逆容量仅为 270mAh/g。此外虽然文献 J. Electrochemical Soc. 2008，155 (12)，A903 以及 J. Power Sources 2005，146，482报道的CoO的比容量和性能均较好，但是其测试使用的充 放电电流较低(100mA/g)。石墨烯纳米片是一种新型的纳米碳材料，以其优良的导电性、较大的比表面积、优 良的稳定性、较宽的电化学窗口等特点，已被认为是一种很有潜力的锂离子电池负极材料。 石墨烯纳米片的厚度在1-10纳米，具有很高的电子导电率，其中电子的运动速度达到了光 速的1/300，远远超过电子在一般导体中的运动速度，且其比表面积大，使其与其他材料复 合可以有效提高复合材料的导电率、增加材料与电解液之间的接触面积，并且还可以抑制 锂离子嵌入脱出过程中材料的体积效应。将石墨烯纳米片与氧化亚钴材料相复合，使石墨烯纳米片穿插于氧化亚钴颗粒之 间，不仅可以有效的提高复合材料的电导率，而且可以抑制材料本身的体积效应，充分发挥 两种材料的协同效应。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种锂离子电池石墨烯纳米片 氧化亚钴复合负极材料及其制备方法；要求其充放电容量可达900mA/h以上，循环寿命长； 同时要求工艺简单，加工成本低，适合工业化生产。本专利技术涉及一种锂离子电池石墨烯纳米片-氧化亚钴复合负极材料，该处理由石 墨烯纳米片和氧化亚钴组成，石墨烯纳米片交错分布在氧化亚钴颗粒上，石墨烯纳米片的 质量分数为5-90%，余量为氧化亚钴，石墨烯纳米片的厚度为1-50纳米，氧化亚钴的粒径 为10-500纳米。本专利技术还涉及一种锂离子电池石墨烯纳米片-氧化亚钴复合负极材料的制备方 法以下均以质量份表示首先使用文献Nature Nanotechnology 2008，3，101 提出的改进型 Hummers 法制 备出石墨氧化物，然后将1份石墨氧化物分散在10-2000份的醇-水溶液或水溶液中，室温下超声处理0. 5-12小时或搅拌0. 5-12小时，加入0. 1-9份钴盐、0. 1-2份碱和0. 1-1份 还原剂，并调节PH值为8-15，搅拌后倒入水热釜中，密封，并在60-300摄氏度下反应1小 时-72小时后进行洗涤和过滤后在50-100摄氏度下真空干燥，将其在保护气氛下200-800 摄氏度下处理0. 5-10小时，获得锂离子电池石墨烯纳米片-氧化亚钴复合负极材料。所述的醇为乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇或异丁醇。所述的醇水溶液中的醇和水的体积比为1 20至20 1。所述的钴盐为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴、醋酸钴、草酸钴、碘化钴或柠檬酸钴。所述的碱为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾。所述的还原剂为水合胼、硼氢化钠、硼氢化钾、抗坏血酸、甲醛、聚合醇或连二亚硫 酸钠。所述的保护气氛为氩气、氮气、氩气与氢气的混合气体或者氮气与氢气的混合气 体，其中混合气体中氢气的体积含量为2-10%。所述的石墨氧化物和钴盐在碱和还原剂的作用下，在水热釜中生成同步生成石墨 烯纳米片和氢氧化钴，由于表面活化能的作用，这些纳米片很容易吸附在氢氧化钴颗粒上。本专利技术使石墨烯纳米片和氧化亚钴具有的储锂性能的特点结合起来，充分发挥两 者的协同效应，并有效避免了二者的缺点。石墨烯纳米片-氧化钴复合材料既具有氧化亚 钴的高容量，又具有碳材料本身特有的优异的循环性能；石墨烯纳米片的加入，可以有效提 高氧化亚钴的电导率，提高氧化亚钴与电解液之间的接触面积，并提高氧化亚钴的利用率， 降低原料成本；钴源和其他原料的选择性宽，可以采用较低成本的硝酸钴、氢氧化钠和氨 水；制备的复合材料性能稳定，作为锂离子电池负极材料，以200mAh/g的电流充放电，50次 充放电后可逆比容量仍然能保持900mAh/g以上；制备工艺简单，适合工业化生产。附图说明图1是实施例1石墨烯纳米片_氧化亚钴负极材料的透射电镜图；图2为实施例1石墨烯纳米片_氧化亚钴负极材料的X射线衍射谱图。图3为实施例1中的石墨烯纳米片-氧化亚钴负极材料以及同条件下分别制备的 石墨烯纳米片和氧化亚钴作为锂离子电池负极材料时，电池的循环性能曲线。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术实施方案进一步描 以下实施例在以本专利技术技术方案为 前提下进行实施，给出了实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的 实施例。实施例1 将0. 5克石墨氧化物分散在400ml水溶液中，超声时间为6小时，加入2. 79克四 水合醋酸钴，10毫升水合胼，15毫升氨水，搅拌后倒入水热釜中，密封，并在150摄氏度下反 应5小时后进行过滤、洗涤、烘干，得到氧化石墨-氢氧化钴复合材料，将所制得的复合物在 氩气保护下500摄氏度处理2小时，获得石墨烯纳米片-氧化亚钴复合负极材料，其中石墨 烯纳米片的重量百分含量为18. 5%。图1是制备的石墨烯纳米片氧化亚钴负极材料的透 射电镜图，可以明显看到石墨烯纳米片交错分布在氧化亚钴颗粒的表面上。图2中的石墨烯纳米片-氧化亚钴负极材料的X射线衍射谱图可表明合成的复合材料具有良好的晶体结 构。图3是得到的石墨烯纳米片-氧化亚钴负极材料以及同条件下分别制备的石墨烯纳米 片和氧化亚钴材料的充放电曲线，在200mA/g充放电电流密度下，石墨烯纳米片-氧化亚钴 负极材料的性能明显由于其他两种材料，其首次效率约为70-75%，50次循环后可逆容量 超过 900mAh/g。。实施例2 将0. 5克石墨氧化物分散在300ml异丙醇-水溶液中(体积比为1 10)，室温下 搅拌6小时，加入3. 26克六水合硝酸钴，15毫升氨水，0. 08克硼氢化钠，搅拌后倒入水热釜 中，密封，并在120摄氏度下反应5小时后进行过滤、洗涤、烘干，得到氧化石墨-氢氧化钴 复合材料，将其在氮气保护下300摄氏度处理2小时，获得石墨烯纳米片-氧化亚钴复合负 极材料，其中石墨烯纳米片的重量百分含量为20. 1%。以200mA/g的电流密度进行充放电 测试的可逆比容量为840mAh/g。实施例3 将0. 5石墨氧化物分散在300ml异丙醇-水溶液中(体积比为1:15)，超声时间 为2小时，加入3. 26克七水合硫酸钴，15毫升氨水，0. 1克抗坏血酸，搅拌后倒入水热釜中， 密封，并在200摄氏度下反应10小时后进行过滤、洗涤、烘干，得到氧化石墨氢氧化钴材料， 将其在氮气保护下600摄氏度处理2小时，获得石墨烯纳米片_氧化亚钴复合负极材料，其 中石墨烯纳米片的重量百分含量为17.8%。以200mA/g的电流密度进行充放电测试的可逆 比容量为930mAh/g。权利要求一种锂离子电池石墨烯纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池石墨烯纳米片－氧化亚钴复合负极材料，其特征在于，由石墨烯纳米片和氧化亚钴组成，石墨烯纳米片交错分布在氧化亚钴颗粒上，石墨烯纳米片的厚度为１－５０纳米，石墨烯纳米片的质量分数为５－９０％，余量为氧化亚钴，氧化亚钴的粒径为１０－５００纳米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何雨石，马紫峰，柏大伟，杨晓伟，廖小珍，何理，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]