專利名稱：一種石墨烯改性碳負極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石墨烯改性鋰電池負極材料領(lǐng)域,特別涉及一種石墨烯改性碳負極材料和制備方法。
背景技術(shù)：
鋰離子電池具有能量密度高，輸出電壓高，輸出功率大，環(huán)境友好等優(yōu)點，是一種高比能量的綠色二次電池，可被廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、電動汽車等方面。鋰離子電池的充放電過程伴隨著鋰離子和電子傳遞轉(zhuǎn)移，這就要求負極材料既要有良好的導(dǎo)電性，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，又要與活性物質(zhì)、集流體具有良好的界面接觸，保證循環(huán)過程的穩(wěn)定和連續(xù)。目前鋰離子電池負極材料大多為碳材料，由于碳材料種類繁多，性能提升空間大，因而研究高性能低成本的碳負極材料是改善鋰離子電池性能和降低電池成本的有效途徑之一。
直接應(yīng)用天然石墨做負極材料穩(wěn)定性差，比容量低，50次循環(huán)后之后放電比容量只有200mAh/g，實際生產(chǎn)中需要加入導(dǎo)電添加劑，并通過氧化、還原、包覆等表面改性或機械處理的方法來提高其循環(huán)性能[毛文曲.鋰離子二次電池石墨負極材料的改性研究[D].浙江浙江大學，2006]。這些方法成本高，操作復(fù)雜，改性效果有限，亟需一種便捷有效的新方法提高碳負極材料的性能。石墨烯是目前國際上的研究熱點，因其獨特的結(jié)構(gòu)賦予了它非常優(yōu)異的性能比表面積2630m2/g，導(dǎo)電性堪比銅，熱導(dǎo)率達SOOOWnT1 K'導(dǎo)熱性比目前已知的任何材料都好。它的導(dǎo)電性和儲鋰能力也不容小覷[EunJoo Yoo, et al. Large Reversible LiStorage of Graphene Nanosheet Families for Use in Rechargeable Lithium IonBatteries [J], Nano Letters, 2008,8 (8) :2277-2282]。然而作為一種新興的材料，石墨烯自團聚的問題一直無法很好的解決。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種石墨烯改性碳負極材料。為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種石墨烯改性碳負極材料，按如下重量百分比組成石墨烯5 % 20 %，碳負極材料80 % 95 %。本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案是所述碳負極材料選自天然石墨、人造石墨、納米石墨或中間相浙青炭微球中的一種。本發(fā)明的另一目的是提供了一種石墨烯改性碳負極材料的制備方法，其特征在于按下述方法制備按照質(zhì)量比I : 4 I : 19比例稱取石墨烯和碳負極材料，然后將石墨烯加入無水乙醇中并超聲20min 60min分散形成石墨烯懸浮液,在磁力攪拌條件下將碳負極材料加入石墨烯懸浮液中，連續(xù)攪拌16 48h使其充分混合均勻，然后烘干，在328 528rpm轉(zhuǎn)速下球磨3 9h,即得石墨烯改性碳負極材料。石墨烯具有非常大的比表面積，與常用的碳負極材料摻雜后，其獨特的面接觸形式有利于形成更穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，降低電阻率，提高導(dǎo)電性，保證循環(huán)過程中導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的完整和連續(xù)，進而保證電極材料具有較高的容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。通過石墨烯摻雜改性可以提高碳負極材料的電化學穩(wěn)定性，并且無需添加導(dǎo)電齊U，同時碳負極材料通過靜電吸附以及隔離作用使石墨烯以近單片層形式發(fā)揮作用，避免了石墨烯材料在充放電過程中的團聚問題，使得石墨烯的比表面積可以得到充分利用。使用本發(fā)明制備的石墨烯改性碳負極材料，在相同用量下與單獨的碳材料相比，在電流密度為0. 2mA/cm2時，比容量提高20 73%，從240mAh/g提高到400mAh/g。


附圖I為石墨烯改性碳負極材料的掃描電鏡圖。附圖2為石墨烯改性天然石墨負極材料的循環(huán)放電圖。附圖3為石墨烯改性中間相浙青炭微球的循環(huán)放電圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明實施例I按照質(zhì)量比I : 19比例稱取5mg石墨烯粉末和95mg天然石墨材料，然后將石墨烯加入無水乙醇中并超聲20min分散形成石墨烯懸浮液,在磁力攪拌條件下將碳負極材料加入石墨烯懸浮液中，連續(xù)攪拌48h使其充分混合均勻，然后烘干，在328rpm轉(zhuǎn)速下球磨9h。即得石墨烯改性天然石墨負極材料。如附圖I石墨烯改性碳負極材料掃描電鏡(SEM)圖所示，石墨烯被天然石磨材料有效的分隔開，同時石墨烯材料獨特的面接觸形式也可以形成更穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。如附圖2電化學性能測試結(jié)果表明，該復(fù)合材料材料測得在電流密度為0. 2mA/cm2時的放電容量為291mAh/g。實施例2按照質(zhì)量比I : 10比例稱取IOmg石墨烯粉末和90mg天然石墨材料，然后將石墨烯加入無水乙醇中并超聲40min分散形成石墨烯懸浮液,在磁力攪拌條件下將碳負極材料加入石墨烯懸浮液中，連續(xù)攪拌36h使其充分混合均勻，然后烘干，在428rpm轉(zhuǎn)速下球磨6h。即得石墨烯改性天然石墨負極材料。如附圖2電化學性能測試結(jié)果表明，該復(fù)合材料材料測得在電流密度為0. 2mA/cm2時的放電容量為342mAh/g。實施例3按照質(zhì)量比I : 4比例稱取IOmg石墨烯粉末和40mg天然石墨材料，然后將石墨烯加入無水乙醇中并超聲60min分散形成石墨烯懸浮液,在磁力攪拌條件下將碳負極材料加入石墨烯懸浮液中，連續(xù)攪拌16h使其充分混合均勻，然后烘干，在528rpm轉(zhuǎn)速下球磨3h。即得石墨烯改性天然石墨負極材料。如附圖2電化學性能測試結(jié)果表明，該復(fù)合材料材料測得在電流密度為0. 2mA/cm2時的放電容量為404mAh/g。實施例4
操作方法同實施例1，不同之處在于將天然石磨換為中間相浙青炭微球。如附圖3電化學性能測試結(jié)果表明，該復(fù)合材料材料測得在電流密度為0. 2mA/cm2時的放電容量為325mAh/g。實施5操作方法同實施例2，不同之處在于將天然石磨換為中間相浙青炭微球。如附圖3電化學性能測試結(jié)果表明，該復(fù)合材料材料測得在電流密度為0. 2mA/cm2時的放電容量為344mAh/g。實施例6操作方法同實施例3，不同之處在于將天然石磨換為中間相浙青炭微球。
如附圖3電化學性能測試結(jié)果表明，該復(fù)合材料材料測得在電流密度為0. 2mA/cm2時的放電容量為418mAh/g。以上已對本發(fā)明的較佳實施例進行了具體說明，但本發(fā)明并不限于所述實施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯改性碳負極材料，其特征在于按如下重量百分比組成石墨烯5% 20 %，碳負極材料80 % 95 %。
2.如權(quán)利要求I所述石墨烯改性碳負極材料，其特征在于所述碳負極材料選自天然石墨、人造石墨、納米石墨或中間相浙青炭微球中的一種。
3.一種制備權(quán)利要求I至2所述石墨烯改性碳負極材料的方法，其特征在于按下述方法制備 按照質(zhì)量比I : 4 I : 19比例稱取石墨烯和碳負極材料，然后將石墨烯加入無水乙醇中并超聲20min 60min分散形成石墨烯懸浮液,在磁力攪拌條件下將碳負極材料加入石墨烯懸浮液中，連續(xù)攪拌16 48h使其充分混合均勻，然后烘干，在328 528rpm轉(zhuǎn)速下球磨3 9h,即得石墨烯改性碳負極材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種石墨烯改性碳負極材料及其制備方法。石墨烯具有非常大的比表面積，可以通過面接觸的形式形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，對碳負極材料進行改性，能夠提高其導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性，能夠直接應(yīng)用于鋰離子電池負極而不需要導(dǎo)電劑，與改性前的碳負極材料相比，比容量提高70％以上。此外，該方法工藝簡單，安全性高，對石墨烯的制備方法沒有額外要求，有極大的實用價值。
文檔編號H01M4/1393GK102779985SQ20111012226
公開日2012年11月14日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者宋懷河, 王晨, 陳曉紅 申請人:北京化工大學