一種石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，屬于新能源材料的開(kāi)發(fā)與研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池是一種高效率、高能量密度的綠色儲(chǔ)能裝置，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于可移動(dòng)電子設(shè)備。電極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵部件之一，與鋰離子電池的性能休戚相關(guān)，是研究熱點(diǎn)之一。
[0003]石墨烯是一種新型功能碳材料，獨(dú)特而完美的二維結(jié)構(gòu)賦予了其超高的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能及比表面積，在太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器、燃料電池等領(lǐng)域具有極其誘人的應(yīng)用前景。用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，不僅具有儲(chǔ)鋰活性，而且可以降低電荷轉(zhuǎn)移電阻，增加鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，并最終提高鋰離子電池的充/放電性能。
[0004]傳統(tǒng)鋰離子電池的電極制備工藝通常為物理涂抹工藝，即將活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以一定比例均勻混合成電極漿料并涂覆在集流體表面?；趥鹘y(tǒng)工藝制備的電極在長(zhǎng)期循環(huán)充/放電過(guò)程中，往往因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)與集流體之間結(jié)合不夠緊密而脫落，并降低電極的循環(huán)充/放電壽命，因此有必要開(kāi)發(fā)新型電極制備工藝。與傳統(tǒng)電極制備工藝相比，采用原位自組裝法制備的電極材料具有如下優(yōu)點(diǎn):1)活性物質(zhì)前驅(qū)體在金屬集流體表面被電還原、沉積，與金屬集流體結(jié)合強(qiáng)度高；2)省去了單獨(dú)合成、處理、加工活性物質(zhì)等多重工序，工藝簡(jiǎn)單，成本較低。目前文獻(xiàn)中關(guān)于鋰離子電池石墨烯電極多采用傳統(tǒng)工藝制備而成，而利用原位自組裝工藝制備電極的報(bào)道還比較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，具體的，將石墨烯/銅復(fù)合電極材料用作鋰離子電池的工作電極，其中對(duì)電極電極、參比電極、隔膜、電解液均為本領(lǐng)域制備鋰離子電池過(guò)程中的常規(guī)選擇。
[0006]優(yōu)選的，本發(fā)明所述石墨烯/銅復(fù)合電極材料在制備鋰離子電池時(shí)，可以無(wú)需添加額外的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑。
[0007]優(yōu)選的，本發(fā)明采用一步電沉積法在金屬銅集流體表面原位自組裝石墨烯材料得到石墨烯/銅復(fù)合電極材料，具體包括以下步驟:以金屬銅為工作電極，以鉑片為對(duì)電極，以飽和甘汞電極為參比電極，以pH值為3?8的氧化石墨烯懸浮液為電解液，采用一步電沉積法在銅表面自組裝石墨烯，得到石墨烯/銅復(fù)合電極材料。
[0008]優(yōu)選的，電解液中氧化石墨稀懸浮液的濃度為I?5 mg/ml ο
[0009]優(yōu)選的，一步電沉積的沉積時(shí)間為0.5?2.5 h。
[0010]優(yōu)選的，一步電沉積的沉積電位為-0.8?-2.5V。
[0011]優(yōu)選的，所述金屬銅為銅箔、泡沫銅或銅納米線。
[0012]借助掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能量色散光譜儀(EDX)、顯微拉曼光譜儀以及交流阻抗技術(shù)對(duì)所制備的石墨烯/Cu復(fù)合電極材料進(jìn)行表征，如圖1、圖2、圖3及圖4所示。這些結(jié)果清楚地表明了所得到的樣品確實(shí)石墨烯/銅復(fù)合電極材料。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果:
本發(fā)明中，通過(guò)一步電沉積法在金屬銅集流體表面原位自組裝石墨烯電極活性物質(zhì)，得到石墨稀/Cu復(fù)合電極材料；制備工藝簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)；復(fù)合材料中石墨稀的比表面積大，與金屬銅集流體結(jié)合牢固，無(wú)需添加額外的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，直接用作鋰離子電池電極材料時(shí)，具有高儲(chǔ)鋰活性，高電導(dǎo)率以及高機(jī)械強(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)，有利于鋰離子的可逆脫/嵌過(guò)程，提高了復(fù)合電極充/放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性能；復(fù)合電極的首次放電比容量為828 mAh/g，并且隨著電極的逐步活化，電極的放電比容量將逐漸增大，經(jīng)過(guò)68次循環(huán)充放電后，電極的放電比容量為1335 mAh/g。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為實(shí)施例1所制備的復(fù)合電極材料石墨烯/Cu的SEM圖；
圖2為實(shí)施例2所制備的復(fù)合電極材料石墨烯/Cu的EDX圖；
圖3為實(shí)施例3所制備的復(fù)合電極材料石墨烯/Cu的拉曼光譜圖；
圖4為實(shí)施例4沉積石墨烯前后復(fù)合電極材料的交流阻抗譜圖；
圖5為實(shí)施例5所制備的復(fù)合電極材料石墨烯/Cu的充/放電曲線；
圖6為實(shí)施例5所制備的復(fù)合電極材料石墨烯/Cu的循環(huán)穩(wěn)定性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0016]實(shí)施例1
利用稀氫氧化鉀溶液將0.5 mg/ml的酸性氧化石墨烯電解液的(pH值調(diào)節(jié)為3)，以銅箔為工作電極，以鉑片為對(duì)電極，以飽和甘汞電極為參比電極，恒壓(-2.5 V)沉積2.5 h，沖洗干凈并真空干燥后，在銅箔上自組裝石墨烯材料，得到石墨烯/Cu復(fù)合電極材料，如圖1所示，銅箔集流體表面上覆蓋了一層薄而透明的縐紗狀石墨烯薄膜。
[0017]然后直接以所制備的石墨烯/Cu復(fù)合材料為工作電極，以鋰箔為對(duì)電極和參比電極，以Celgard2500膜為隔膜，以含I mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合液為電解液，其中EC、DEC和DMC的體積比為1: 1: 1，然后在充滿(mǎn)高純氬氣的手套箱內(nèi)與鋰箔組裝成扣式模擬鋰離子電池，并以恒流充/放電的方法測(cè)試其充/放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性能。
[0018]實(shí)施例2
利用稀氫氧化鈉溶液將I mg/ml的酸性氧化石墨烯電解液(pH=3)，以泡沫銅集流體為工作電極，以鉑片為對(duì)電極，以飽和甘汞電極為參比電極，恒壓(-1.5 V)沉積I h，沖洗干凈并真空干燥后，在銅箔上自組裝石墨烯材料，得到石墨烯/Cu復(fù)合電極材料，如圖2所示，樣品除了 Cu元素之外，還清晰地顯示出了與C元素相對(duì)應(yīng)的峰，表明了石墨烯的存在。
[0019]然后直接以所制備的石墨烯/Cu復(fù)合材料為工作電極，以鋰箔為對(duì)電極和參比電極，以Celgard2325膜為隔膜，以含I mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合液為電解液，其中EC和DEC的體積比為1:1，然后在充滿(mǎn)高純氬氣的手套箱內(nèi)與鋰箔組裝成扣式模擬鋰離子電池，并以恒流充/放電的方法測(cè)試其充/放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性會(huì)K。
[0020]實(shí)施例3
利用稀氫氧化鉀溶液將2.5 mg/ml的酸性氧化石墨烯電解液(pH值調(diào)節(jié)為7)，以銅納米線為工作電極，以鉑片為對(duì)電極，以飽和甘汞電極為參比電極，電極恒壓(-1.8 V)電化學(xué)還原0.5 h，沖洗干凈并真空干燥后，在銅箔上自組裝石墨烯材料，得到石墨烯/Cu復(fù)合電極材料。
[0021]然后直接以所制備的石墨烯/Cu復(fù)合材料為工作電極，以Celgard2400膜為隔膜，以含I mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合液為電解液，其中EC，DEC和DMC的體積之比為1:1:1，然后在充滿(mǎn)高純氬氣的手套箱內(nèi)與鋰箔組裝成扣式模擬鋰離子電池，并以恒流充/放電的方法測(cè)試其充/放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性能。
[0022]實(shí)施例4
利用稀氫氧化鈉溶液將5 mg/ml的酸性氧化石墨烯電解液(pH值調(diào)節(jié)為8)，以銅箔為工作電極，以鉑片為對(duì)電極，以飽和甘汞電極為參比電極，恒壓(-0.8 V)電沉積0.8 h，沖洗干凈并真空干燥后，在銅箔上自組裝石墨烯材料，得到石墨烯/Cu復(fù)合電極材料，如圖4所示，由圖可知，與純的銅片電極相比，石墨烯/Cu復(fù)合電極的電阻有所降低，表明石墨烯的沉積改善了電極的導(dǎo)電能力。
[0023]然后直接以所制備的石墨烯/Cu復(fù)合材料為工作電極，以鋰箔為對(duì)電極和參比電極，以Celgard2500膜為隔膜，以含I mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)的混合液為電解液，其中EC與DEC的體積之比為1: 1，然后在充滿(mǎn)高純氬氣的手套箱內(nèi)與鋰箔組裝成扣式模擬鋰離子電池，并以恒流充/放電的方法測(cè)試其充/放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性能。
[0024]實(shí)施例5
利用稀氫氧化鈉溶液將0.5 mg/ml的酸性氧化石墨烯電解液(pH值調(diào)節(jié)為7)，以銅箔為工作電極，以鉑片為對(duì)電極，以飽和甘汞電極為參比電極，恒壓(-1.0V)沉積2.3h，沖洗干凈并真空干燥后，在銅箔上自組裝石墨烯材料，得到石墨烯/Cu復(fù)合電極材料。
[0025]然后直接以所制備的石墨烯/Cu復(fù)合材料為工作電極，以鋰箔為對(duì)電極和參比電極，以Celgard2400膜為隔膜，以含I mol/L LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合液為電解液，其中EC和DEC的體積比為1:1，然后在充滿(mǎn)高純氬氣的手套箱內(nèi)與鋰箔組裝成扣式模擬鋰離子電池，并以恒流充/放電的方法測(cè)試其充/放電性能(圖5)及循環(huán)穩(wěn)定性能(圖6 )，由圖可知，首次放電比容量為828 mAh/g,經(jīng)過(guò)68次充/放電后，放電容量升高為1335 mAh/g，表現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，其特征在于:石墨烯/銅復(fù)合電極材料用作鋰離子電池的工作電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，其特征在于:制備鋰離子電池過(guò)程中無(wú)需添加額外的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，其特征在于:所述石墨烯/銅復(fù)合電極材料的制備方法，具體包括以下步驟:以金屬銅為工作電極，以鉑片為對(duì)電極，以飽和甘汞電極為參比電極，以pH值為3?8的氧化石墨烯懸浮液為電解液，采用一步電沉積法在銅表面自組裝石墨烯，得到石墨烯/銅復(fù)合電極材料。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，其特征在于:電解液中氧化石墨稀懸浮液的濃度為0.5?5 mg/ml ο5.根據(jù)權(quán)利要求3所述石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，其特征在于:一步電沉積的沉積時(shí)間為0.5?2.5 ho6.根據(jù)權(quán)利要求3所述石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，其特征在于:一步電沉積的沉積電位為-0.8?-2.5V。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，其特征在于:所述金屬銅為銅箔、泡沫銅或銅納米線。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種石墨烯/銅復(fù)合電極材料的應(yīng)用，屬于新能源材料的開(kāi)發(fā)與研究領(lǐng)域。本發(fā)明通過(guò)一步電沉積法在金屬銅表面自組裝一層石墨烯活性物質(zhì)，然后在充滿(mǎn)高純氬氣的手套箱內(nèi)與鋰箔組裝成扣式模擬鋰離子電池，并以恒流充/放電的方法測(cè)試其充/放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性能。本發(fā)明通過(guò)自組裝方法使金屬銅與石墨烯活性物質(zhì)巧妙而緊密地結(jié)合在一起，該電極材料不僅比表面積大，而且與銅集流體結(jié)合緊密，有助于減小接觸電阻。與傳統(tǒng)涂覆式電極制備工藝相比，該工藝操作簡(jiǎn)單，環(huán)境友好，易于放大，且有助于緩解活性物質(zhì)在長(zhǎng)期充/放電過(guò)程中的脫落現(xiàn)象，并提高了鋰離子電池的充/放電性能與循環(huán)穩(wěn)定性能。
【IPC分類(lèi)】H01M4/38, H01M4/134, H01M4/583, H01M10/0525, H01M4/04, H01M4/133
【公開(kāi)號(hào)】CN105140497
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510571236
【發(fā)明人】侯宏英, 劉松, 劉顯茜, 段繼祥, 孟瑞晉
【申請(qǐng)人】昆明理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月10日