锂离子电池石墨烯纳米片－氢氧化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－氢氧化钴复合负极材料及其制备方法。负极材料由石墨烯纳米片和氢氧化钴组成，石墨烯纳米片交错分布在氢氧化钴颗粒上，石墨烯纳米片的质量分数为１０－９０％，石墨烯纳米片的厚度为１－５０纳米，氢氧化钴的粒径为０．５－３０微米。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、碱和还原剂，搅拌后倒入水热釜中；进一步密封、反应、过滤、洗涤、烘干。本发明专利技术以２００ｍＡ／ｇ的电流进行充放电时，复合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-氢氧化钴复合负极材料及其制备方法。
技术介绍
氢氧化钴在镍氢电池中已经得到广泛应用，其作为锂离子电池电极材料的前驱体 也已经被广泛研究和合成，但均是要将其烧结成为钴的氧化物(CoO或Co304)，才能作为锂 离子电池电极材料使用，所使用的工艺路线步骤繁琐，且耗能较大。此外尽管报道中的CoO 或Co304材料具有较高的比容量，但其首次充放电效率和循环性能均有待改进，例如据文 献J. Power Sources2002,109，142报道，其制备的CoO材料20次循环后的可逆容量仅为 270mAh/g ；文献ElectrochimicaActa 2008，53，2507 所制备的 Co304 材料的在 100mA/g 的充 放电电流密度下，可逆容量仅为400mAh/g。由于氢氧化钴含有氢氧根离子的原因且本身导电率较低，目前还未有使用其作为 锂离子电池电极材料的报道。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。将石墨烯纳米片与氢氧化钴材料复合，无需进一步烧结，使石墨烯纳米片穿插于 氢氧化钴颗粒之间，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 氢氧化钴复合负极材料及其制备方法，本专利技术实现了充放电容量可达800mA/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。本专利技术涉及的锂离子电池石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料，该材料由石墨 烯纳米片和氢氧化钴组成，石墨烯纳米片交错分布在氢氧化钴颗粒上，石墨烯纳米片的质 量分数为10-90%，石墨烯纳米片的厚度为1-50纳米，氢氧化钴的粒径为0. 5-30微米。本专利技术还涉及锂离子电池石墨烯纳米片_氢氧化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，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 小时后进行过滤、洗涤、烘干，得到锂离子电池石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料。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。本专利技术优点石墨烯纳米片_氢氧化钴复合负极材料使石墨烯纳米片和氢氧化钴 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-氢氧化钴复合材料既具有氢氧化钴的高容量，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，可以有效提高氢氧化钴的电导率，提高氢氧化钴与电解 液之间的接触面积，并提高氢氧化钴的利用率，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，无需烧结过程，适合工业化生产。附图说明图1本专利技术透射电镜图；其中a是纯氢氧化钴的透射电镜图；b是纯石墨烯纳米片的透射电镜图；c是实 施例1的石墨烯纳米片-氢氧化钴负极材料的透射电镜图。图2为实施例1石墨烯纳米片_氢氧化钴负极材料的X射线衍射谱图。图3为实施例1得到的石墨烯纳米片_氢氧化钴负极材料作为锂离子电池负极材 料时，电池的充放电及循环性能曲线。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述以下实施例在以本专利技术技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的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，得到石墨烯纳米片-氢氧化钴负极材料，其中石墨烯纳米 片的重量百分含量为24.6%。图la中的是同条件制备的氢氧化钴、图lb是同条件制备的 石墨烯纳米片及图lc是石墨烯纳米片-氢氧化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氢氧化钴颗粒的表面上。图2中的石墨烯纳米片-氢氧化钴负极材4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是实施例1的石墨 烯纳米片-氢氧化钴负极材料的充放电曲线，在200mA/g充放电电流密度下，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，得到石墨烯纳米片_氢氧 化钴负极材料，其中石墨烯纳米片的重量百分含量为25. 5%。以200mA/g的电流密度进行 充放电测试的可逆比容量为820mAh/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，得到石墨烯纳米片-氢氧化 钴负极材料，其中石墨烯纳米片的重量百分含量为23. 9%。以200mA/g的电流密度进行充 放电测试的可逆比容量为905mAh/g。权利要求一种锂离子电池石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料，其特征在于，由石墨烯纳米片和氢氧化钴组成，石墨烯纳米片交错分布在氢氧化钴颗粒上，石墨烯纳米片的质量分数为10-90％，石墨烯纳米片的厚度为1-50纳米，氢氧化钴的粒径为0.5-30微米。2.一种锂离子电池石墨烯纳米片-氢氧化钴复合负极材料的制备方法，其特征在于， 包括步骤如下以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池石墨烯纳米片－氢氧化钴复合负极材料，其特征在于，由石墨烯纳米片和氢氧化钴组成，石墨烯纳米片交错分布在氢氧化钴颗粒上，石墨烯纳米片的质量分数为１０－９０％，石墨烯纳米片的厚度为１－５０纳米，氢氧化钴的粒径为０．５－３０微米。

【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，曾令杰，
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]