一種石墨烯復(fù)合材料的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種多孔電極的制備方法，該方法使用茶葉渣在高溫下碳化可以轉(zhuǎn)化為氮摻雜的硬碳，將硬碳與石墨烯進(jìn)行復(fù)合，在一定程度上降低了石墨烯的比表面。本發(fā)明提供的石墨表面處理方法能夠用于提升石墨表面的化學(xué)活性和提升電化學(xué)反應(yīng)中材料在石墨表面的形核幾率和負(fù)載量。使用該方法制備的多孔電極，具有較好的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性，具有較高的比容量和較長(zhǎng)的使用壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種石墨烯復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種石墨烯復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，石墨烯由于環(huán)境友好、電化學(xué)性能穩(wěn)定，作為負(fù)極材料在商業(yè)化鋰離子電池中得到廣泛的應(yīng)用
單一的石墨烯材料用作電極材料，受到諸多因素的限制，如石墨烯比表面過(guò)大(理論值2630m2/g)，片層之間容易團(tuán)聚，大大提高了不可逆容量損失(較低的首次庫(kù)侖效率(〈73%))并降低了其作為電極材料電導(dǎo)率，從而給電極制片工藝方面帶來(lái)不良影響。特別是，單一的石墨烯電極材料在大倍率充放電時(shí)，容量衰減太快。
[0003]核/殼納米結(jié)構(gòu)如金屬氧化物/碳、導(dǎo)電聚合物/碳、金屬氧化物/金屬氮化物等復(fù)合材料已被廣泛用于研究。核/殼材料復(fù)合是指單層或多層的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料包覆在有機(jī)或無(wú)機(jī)核顆粒的周?chē)?，這是提高該核顆粒的穩(wěn)定性和表面化學(xué)性能的有效方式，而且可以達(dá)到不可能從一種材料上獲得的獨(dú)一無(wú)二的物理化學(xué)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種石墨烯復(fù)合材料的制備方法，使用該方法制備的石墨烯復(fù)合材料，具有較好的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性，具有較高的比容量和較長(zhǎng)的使用壽命。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種石墨烯復(fù)合材料的制備方法，該方法包括如下步驟:
(1)將茶葉渣進(jìn)行干燥，粉碎和過(guò)篩得固態(tài)物質(zhì)，將質(zhì)量比為1:0.2-0.5的硅粉與上述固態(tài)物質(zhì)，加入溶劑球磨2-10h，篩分出100目的漿料；
(2)將漿料在進(jìn)風(fēng)溫度200-350°C，出風(fēng)溫度90-180°C，轉(zhuǎn)速10_50rpm噴霧干燥;篩分出過(guò)300目的硅/碳前驅(qū)物，以5/min速率升溫至400-1000 °C，保溫4_12h熱解，再以5 °C/min速率降溫至300°C，隨爐冷卻至室溫，得到硅/碳復(fù)合物；
(3)將氧化石墨烯分散在硫酸溶液中，向所述溶液中加入上述硅/碳復(fù)合物固態(tài)物質(zhì)，并持續(xù)攪拌，充分混合后干燥后，將制得的混合物研磨后置于流動(dòng)的保護(hù)氣體中加熱進(jìn)行高溫?zé)徇€原和碳化反應(yīng)，加熱溫度為250-950 °C，反應(yīng)時(shí)間為0.2-20小時(shí)，最后在流動(dòng)的保護(hù)氣體中降至室溫即可獲得石墨烯復(fù)合材料。
[0006]優(yōu)選的，所述的茶葉渣為紅茶、黑茶、烏龍茶和普洱茶葉渣中的一種;所述的氧化石墨稀采用改進(jìn)的Hmimers法制得，所述的茶葉渣的添加量為氧化石墨稀質(zhì)量的1-5倍
所述的加熱是在管式爐中通入流動(dòng)保護(hù)氣體加熱，或者直接在箱式電阻爐或馬弗爐中加熱。
[0007]所述娃粉為平均粒徑1.5μηι的微米級(jí)娃粉。
[0008]所述溶劑為去離子水或無(wú)水乙醇。
[0009]本發(fā)明的茶葉渣在高溫下碳化可以轉(zhuǎn)化為氮摻雜的硬碳，將硬碳與石墨烯進(jìn)行復(fù)合，在一定程度上降低了石墨烯的比表面。復(fù)合材料是將微米級(jí)硅粉原料納米化，在形成的納米娃粉顆粒表面包覆一層無(wú)定形碳。因此該本發(fā)明制備的復(fù)合材料有效改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性，特別是大電流充放電的循環(huán)性能。首次充放電效率為67%，以400mA/g放電，循環(huán)360周，容量保持率為70%，以600mA/g放電，循環(huán)402周，容量保持率為81%。該發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，易控制，適合規(guī)?；a(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0010]實(shí)施例一
將茶葉渣進(jìn)行干燥，粉碎和過(guò)篩得固態(tài)物質(zhì)，將質(zhì)量比為1:0.2的硅粉與上述固態(tài)物質(zhì)，加入溶劑球磨2h，篩分出100目的漿料;所述硅粉為平均粒徑1.5μπι的微米級(jí)硅粉。所述溶劑為去離子水。
[0011]將漿料在進(jìn)風(fēng)溫度200 °C，出風(fēng)溫度90 °C，轉(zhuǎn)速1rpm噴霧干燥;篩分出過(guò)300目的硅/碳前驅(qū)物，以5/min速率升溫至400°C，保溫4h熱解，再以5°C/min速率降溫至300°C，隨爐冷卻至室溫，得到硅/碳復(fù)合物；
氧化石墨烯分散在硫酸溶液中，向所述溶液中加入上述硅/碳復(fù)合物固態(tài)物質(zhì)，并持續(xù)攪拌，充分混合后干燥后，將制得的混合物研磨后置于流動(dòng)的保護(hù)氣體中加熱進(jìn)行高溫?zé)徇€原和碳化反應(yīng)，所述的高溫?zé)徇€原是在管式爐中通入流動(dòng)保護(hù)氣體加熱，或者直接在箱式電阻爐或馬弗爐中加熱。加熱溫度為250 0C，反應(yīng)時(shí)間為0.2小時(shí)，最后在流動(dòng)的保護(hù)氣體中降至室溫即可獲得石墨烯復(fù)合材料。
[0012]所述的茶葉渣為紅茶、黑茶、烏龍茶和普洱茶葉渣中的一種;所述的氧化石墨烯采用改進(jìn)的Hmimers法制得，所述的茶葉渣的添加量為氧化石墨稀質(zhì)量的I倍
實(shí)施例二
將茶葉渣進(jìn)行干燥，粉碎和過(guò)篩得固態(tài)物質(zhì)，將質(zhì)量比為1: 0.5的硅粉與上述固態(tài)物質(zhì)，加入溶劑球磨1h，篩分出100目的漿料;所述硅粉為平均粒徑1.5μπι的微米級(jí)硅粉。所述溶劑為去離子水或無(wú)水乙醇。
[0013]將漿料在進(jìn)風(fēng)溫度350°C，出風(fēng)溫度180°C，轉(zhuǎn)速50rpm噴霧干燥;篩分出過(guò)300目的硅/碳前驅(qū)物，以5/min速率升溫至1000°C，保溫12h熱解，再以5°C/min速率降溫至300°C，隨爐冷卻至室溫，得到硅/碳復(fù)合物。
[0014]氧化石墨烯分散在硫酸溶液中，向所述溶液中加入上述硅/碳復(fù)合物固態(tài)物質(zhì)，并持續(xù)攪拌，充分混合后干燥后，將制得的混合物研磨后置于流動(dòng)的保護(hù)氣體中加熱進(jìn)行高溫?zé)徇€原和碳化反應(yīng)，所述的高溫?zé)徇€原是在管式爐中通入流動(dòng)保護(hù)氣體加熱，或者直接在箱式電阻爐或馬弗爐中加熱。加熱溫度為950 °C，反應(yīng)時(shí)間為20小時(shí)，最后在流動(dòng)的保護(hù)氣體中降至室溫即可獲得石墨烯復(fù)合材料。
[0015]所述的茶葉渣為紅茶、黑茶、烏龍茶和普洱茶葉渣中的一種;所述的氧化石墨烯采用改進(jìn)的Hmimers法制得，所述的茶葉渣的添加量為氧化石墨稀質(zhì)量的5倍
本發(fā)明是通過(guò)實(shí)施例來(lái)描述的，但并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制，參照本發(fā)明的描述，所公開(kāi)的實(shí)施例的其他變化，如對(duì)于本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人士是容易想到的，這樣的變化應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求限定的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多孔電極的制備方法，該方法包括如下步驟: (I)將茶葉渣進(jìn)行干燥，粉碎和過(guò)篩得固態(tài)物質(zhì)，將質(zhì)量比為1:0.2-0.5的硅粉與上述固態(tài)物質(zhì)，加入溶劑球磨2-10h，篩分出100目的漿料； (2 )將漿料在進(jìn)風(fēng)溫度200-350 0C，出風(fēng)溫度90-180 °C，轉(zhuǎn)速10_50rpm噴霧干燥;篩分出過(guò)300目的硅/碳前驅(qū)物，以5/min速率升溫至400-1000 °C，保溫4_12h熱解，再以5 °C/min速率降溫至300°C，隨爐冷卻至室溫，得到硅/碳復(fù)合物； (3)對(duì)石墨進(jìn)行表面處理 將石墨置于含有氧氣的氣氛中，對(duì)石墨進(jìn)行高溫氧化處理;通過(guò)控制氧氣濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間得到經(jīng)過(guò)表面處理的石墨;所述經(jīng)過(guò)表面處理的石墨的表面形貌選自梯田狀、鋸齒狀、坑洞狀中的一種，其中高溫氧化處理過(guò)程如下:升溫至550°C-75(TC后，控制氣氛中氧氣的體積分?jǐn)?shù)的取值范圍為10%_85%，保持一段時(shí)間后，停止加熱并應(yīng)用惰性氣體置換含有氧氣的氣氛，直至所述石墨的溫度降低至室溫； (4)將上述石墨分散在硫酸溶液中，向所述溶液中加入上述硅/碳復(fù)合物固態(tài)物質(zhì)，并持續(xù)攪拌，充分混合后干燥后，將制得的混合物研磨后置于流動(dòng)的保護(hù)氣體中加熱進(jìn)行高溫?zé)徇€原和碳化反應(yīng)，加熱溫度為250-950 0C，反應(yīng)時(shí)間為0.2-20小時(shí)，在流動(dòng)的保護(hù)氣體中降至室溫得到粉體，壓制所述粉體，使之成型為所述多孔電極。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的茶葉渣為紅茶、黑茶、烏龍茶和普洱茶葉渣中的一種。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(4)中的加熱是在管式爐中通入流動(dòng)保護(hù)氣體加熱，或者直接在箱式電阻爐或馬弗爐中加熱。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅粉為平均粒徑1.5μπι的微米級(jí)硅粉。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶劑為去離子水或無(wú)水乙醇。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK105858644SQ201610208937
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月6日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】蘇州思創(chuàng)源博電子科技有限公司