一种石墨烯粉末的制备方法及其在锂离子电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一种具有高导电性、高分散性的石墨烯粉末的制备方法及其在锂离子电池中的应用，属于纳米石墨导电材料领域。本发明专利技术在含邻苯二酚官能团的化合物存在下，通过使用与该化合物不同的还原剂，对氧化石墨烯进行还原。本发明专利技术方法设备要求低、条件温和、简单高效、无毒害，适合大规模生产。本发明专利技术制备的石墨烯粉末作为导电剂制备锂离子电池电极，可实现良好分散、降低内阻，使获得高性能锂离子电池成为可能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种具有高导电性、高分散性的石墨烯粉末的制备方法及其在锂离子电池中的应用，属于纳米石墨导电材料领域。本专利技术在含邻苯二酚官能团的化合物存在下，通过使用与该化合物不同的还原剂，对氧化石墨烯进行还原。本专利技术方法设备要求低、条件温和、简单高效、无毒害，适合大规模生产。本专利技术制备的石墨烯粉末作为导电剂制备锂离子电池电极，可实现良好分散、降低内阻，使获得高性能锂离子电池成为可能。【专利说明】—种石墨烯粉末的制备方法及其在锂离子电池中的应用
本专利技术属于纳米石墨导电材料领域，具体涉及一种低温快速制备高分散性和高导电性的石墨烯的方法及其在锂离子电池中的应用。
技术介绍
石墨烯作为一种新型的碳纳米材料，自从2004年发现以来，一直备受关注。石墨烯具有优良的电学、热学、光学和机械性能，有望在电池材料、储能材料、电子器件、复合材料等领域得到广泛的应用。而石墨烯的低成本化、高效制备和分散是其广泛应用的关键技术所在。在众多石墨烯制备方法中(包括机械剥离法，化学气相沉积法，晶体外延生长法和氧化还原法等)，氧化还原法(即对石墨进行氧化制备氧化石墨/氧化石墨烯，然后进行还原制备石墨烯的方法)是最有可能大批量制备石墨烯的方法之一，对石墨烯的工业化具有重大意义。目前，氧化还原法中使用的原料氧化石墨/氧化石墨烯的制备技术相对比较成熟，而现有还原技术主要是采用高温热还原和肼类还原剂还原氧化石墨烯制备石墨烯。美国专利US 7658901采用了 1050°C的高温将氧化石墨烯进行热还原，制备了石墨烯。然而该制备方法的条件为高温，设备要求高。Ruoff等以水合肼为还原剂在水中100°C反应24小时，将氧化石墨烯还原从而制备了石墨烯(Ruoff, et al.Carbon, 2007,45,1558)。然而肼类还原剂为极毒性试剂，不利于应用，而且反应时间较长。因此，寻找新型简单、温和、高效、无毒害的还原方法已经很迫切。 另外，通过高温热还原或肼类还原剂还原氧化石墨烯得到的石墨烯粉末易团聚、在溶剂中分散性差，这也是石墨烯应用的一个亟待解决的问题。Li等人通过在肼类还原剂还原氧化石墨烯过程中添加氨水，使得石墨烯带有电荷(Li, et al.NatureNanotechnology, 2008, 3,101),从而获得了在水中稳定分散的石墨烯。然而，由于是通过电荷实现稳定分散，因此只能局限于水分散体系，而且该石墨烯的水分散液干燥后和只使用肼类还原剂制备的石墨烯粉末一样，依然不能分散。专利申请号为201010286477.2的中国专利采用了酚基胺类还原剂将氧化石墨烯进行还原制得石墨烯稳定分散液，但并未制得可分散的石墨烯粉末；Liu等利用多巴胺(Liu, et al.J.Phys.Chem.C 2012,116,3334-3341)、Kaminska 等利用多巴胺叠氮化物(Kaminska, et al.Appl.Mater.1nterface,2012，4，1016)为还原剂将氧化石墨烯进行还原和修饰，制备出石墨烯稳定分散液和石墨烯薄膜，但也未制得可分散的石墨烯粉末；而且由于多巴胺类化合物还原能力有限，对氧化石墨烯的还原不足，得到的石墨烯导电性较差，不利于应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种简单、快速、温和、高效的石墨烯制备方法，制备出具有高导电性和高分散性的石墨烯粉末。本专利技术的另外一个目的是通过使用本专利技术方法制备的石墨烯粉末，制备高性能锂离子电池电极。众所周知，海洋生物“贻贝”具有超强的黏附能力，能黏附各种基材，包括最难黏结的聚四氟乙烯(PTFE)。研究表明，贻贝的超强黏附能力主要通过其分泌的一种含有邻苯二酚官能团的黏附蛋白实现的。本专利技术通过含邻苯二酚官能团的化合物来模拟海洋贻贝的超强黏附能力，黏附在氧化石墨烯表面；再利用连二亚硫酸钠等高效还原剂的超强还原性，在温和条件下对氧化石墨烯进行快速、高效还原，既能保证了还原充分、又能防止团聚，从而制备出高电导性、高分散性的石墨烯粉末，其粉末导电率高于lX103Qcm(密度为lg/cm3时)，分散在溶剂如N-甲基吡咯烷酮(NMP)中能保持稳定。采用本专利技术制备的石墨烯粉末、电极活性材料、及粘合剂可以制备锂离子电池电极。由于本专利技术制备的石墨烯粉末具有高导电性和高分散性，石墨烯能够在电极中实现良好分散，改善电极的导电性、降低内阻，使获得高容量和大功率的高性能锂离子电池成为可倉泛。本专利技术的目的可以通过以下措施达到:一种制备石墨烯粉末的方法，在含邻苯二酚官能团的化合物存在下，通过使用与该化合物不同的还原剂，对氧化石墨烯进行还原。具体包括如下步骤:第一步，制备氧化石墨烯分散液；第二步，在含邻苯二酚官能团的化合物存在下，通过与该化合物不同的高效还原剂对氧化石墨烯进行还原反应，制备石墨烯粉末。其中，第一步的氧化石墨烯分散液制备方法:将氧化石墨膏体用溶剂稀释或将氧化石墨粉末在溶剂中分散，经超声波处理后得到氧化石墨烯分散液。上述溶剂优选为水，所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.1~100mg/ml，优选为I~100mg/ml。 上述使用的原材料氧化石墨可以通过已知方法制备，也可以通过购买商业化的氧化石墨得到。本专利技术中制备氧化石墨的原材料石墨可以是人造石墨或天然石墨，原材料石墨的目数优选为20000~300目；制备方法优选改进的Hmnmers法,如下文记载。将硝酸钠、浓硫酸加入到石墨中(例如:天然石墨粉末)，在冰浴、搅拌的状态下缓慢加入高锰酸钾，反应I~1.5小时；之后在35°C水浴中继续搅拌2~2.5小时；再加入去离子水，在90± 10°C反应10~20分钟。然后加入去离子水稀释，再加少量过氧化氢至无气泡产生,得到的产物经离心分离、水洗,再离心分离,如此重复数次直至中性为止,得到氧化石墨膏体，干燥后得到氧化石墨粉末。其中，第二步的在含邻苯二酚官能团的化合物存在下，通过与该化合物不同的高效还原剂对氧化石墨烯进行还原反应，制备石墨烯粉末的方法:在氧化石墨烯的分散液中加入含邻苯二酚官能团的化合物和与该化合物不同的还原剂，机械搅拌下进行还原反应。所得产物经过滤，水洗，及冷冻干燥后得到石墨烯粉末。上述含邻苯二酚官能团的化合物优选为儿茶酚、盐酸多巴胺、多巴、4-(2-氨基-1-羟基乙基-1，2-苯二酹)、3，4- 二羟基苯甲酸、3,4- 二羟基苯乙酸、3,4- 二羟基肉桂酸、4-甲基邻苯二酚、或对叔丁基邻苯二酚中的一种或几种。进一步优选为儿茶酚、盐酸多巴胺、或多巴中的一种或几种。最优选盐酸多巴胺。还原剂对氧化石墨烯进行还原，优选为低温、快速还原。还原反应温度优选为不高于100°C，考虑到成本，进一步优选为不高于60°C。还原反应时间优选为不大于24小时，考虑到效率，进一步优选不大于2小时，更优选为不大于30分钟。还原剂考虑到高效还原能力，优选为连二亚硫酸盐，进一步优选为连二亚硫酸钠、或连二亚硫酸钾中的一种或两种。还原剂与氧化石墨烯的质量比优选为0.1~10: I，进一步优选为0.5~5: I ;考虑到氧化石墨烯表面羧基、羟基等含氧基团充分去除，更优选为I~3: I。一种使用本专利技术制备的石墨烯粉末作为导电剂的锂离子电池电极。锂离子电池的电极由导电剂、正极或负极活性材料、及粘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备石墨烯粉末的方法，其特征在于：在含邻苯二酚官能团的化合物存在下，通过使用与该化合物不同的还原剂，对氧化石墨烯进行还原。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙培育，刘刚桥，吴祯琪，吴刚，
申请(专利权)人：东丽先端材料研究开发中国有限公司，
类型：发明
国别省市：