一種鋰離子電池氮摻雜碳包覆石墨烯材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)材料領(lǐng)域，具體涉及一種鋰離子電池氮摻雜碳包覆石墨烯材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜設(shè)備中，如手機(jī)、平板電腦、手提電腦、相機(jī)等等。它們對鋰離子電池提出了新的要求:高倍率、高容量、安全穩(wěn)定、更長的使用壽命、技術(shù)成熟、價(jià)格便宜、環(huán)境友好等等。面對著這些新的要求，鋰離子電池將面臨著各種各樣的重大挑戰(zhàn)，以能夠快速適應(yīng)這個(gè)新生代的市場。
[0003]石墨烯是一種新型碳納米材料，成為現(xiàn)今的研究熱點(diǎn)。石墨烯是由單層sP2碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，基本結(jié)構(gòu)單元是穩(wěn)定的苯六元環(huán)。這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)，使得石墨烯具有較大的理論比表面積，致使其具有較高的儲(chǔ)鋰能力。但是，單一的石墨烯材料用作電極材料，受到諸多因素的限制，如石墨烯比表面過大，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不良影響。特別是，單一的石墨烯電材料在大倍率充放電時(shí)，容量衰減太快。
[0004]碳包覆核殼納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛用于LIBs的電極材料中，這些核殼結(jié)構(gòu)可以用糖類作為碳源，通過水熱法一步即可獲得。核/殼材料的優(yōu)異性能與它們獨(dú)一無二的結(jié)構(gòu)相關(guān)，核顆粒的性能隨著包覆在核顆粒周圍的殼的變化顯著改善，這是利用核/殼材料的協(xié)同效應(yīng)以及兩者相互作用會(huì)產(chǎn)生多重功效的特性，克服各自絕大多數(shù)的缺陷并發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。所以，采用本發(fā)明所用的水熱摻雜氮方法制備氮摻雜碳包覆石墨烯材料鋰離子電池負(fù)極材料具有優(yōu)秀的電化學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對石墨烯負(fù)極材料的倍率性差，提供一種高容量、高倍率的氮摻雜碳包覆石墨烯材料的制備方法，該方法簡單、可操作性強(qiáng)、重復(fù)性好。
[0006]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的以上目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案:
一種鋰離子電池氮摻雜碳包覆石墨烯材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
a、制備氧化石墨稀懸浮液:采用hu_er法制備氧化石墨，將氧化石墨在去離子水中超聲剝開形成氧化石墨烯懸浮液；
b、制備氮摻雜碳包覆石墨稀材料:向氧化石墨稀懸浮液中加入一定量的氨基氰水溶液，攪拌均勻，放入密閉反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，將水熱反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水洗滌，干燥，在保護(hù)氣氛下高溫處理，得到鋰離子電池氮摻雜碳包覆石墨烯材料。
[0007]步驟a所述的超聲裝置的功率為200W?500W，超聲時(shí)間為0.5?2.0h。
[0008]步驟a所述的氧化石墨稀懸浮液中氧化石墨稀的濃度0.1?2.0mg/mL。
[0009]步驟b所述的氨基氰水溶液濃度為20wt%~50wt%。[00?0]步驟b所述的氨基氰與氧化石墨稀的質(zhì)量比為I?5:80。
[0011]步驟b所述的溶劑熱處理溫度為160?200°C，時(shí)間為4?10小時(shí)。
[0012]步驟b所述的高溫處理溫度為600?100°C，時(shí)間為I?6小時(shí)。
[0013 ]步驟b所述的保護(hù)氣氛為氮?dú)?、氬氣、氦氣、氖氣、氪氣和氙氣的任一種。
[0014]—種鋰電池，其特征在于:采用了權(quán)利要去1-8任一項(xiàng)制備的鋰離子電池氮摻雜碳包覆石墨稀材料。
[0015]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
(I)本發(fā)明制備的比容量高、倍率好的氮摻雜碳包覆石墨烯材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料未見文獻(xiàn)報(bào)道，具有很好的應(yīng)用發(fā)展前景。
[0016](2)本發(fā)明水熱一步同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氮摻雜碳制備出的鋰離子電池負(fù)極材料氮摻雜碳包覆石墨稀材料。此種結(jié)構(gòu)材料可以提尚氣慘雜碳包覆石墨稀材料的比表面積，有利于提高氮摻雜碳包覆石墨烯材料的儲(chǔ)鋰比容量，有助于電解液的滲透，防止了石墨烯還原過程中的團(tuán)聚，重疊，從而提高氮摻雜碳包覆石墨烯材料負(fù)極材料的電子電導(dǎo)率，為尋求新型鋰離子電池負(fù)極材料提供研究思路。
[0017](3)鋰離子氮摻雜碳包覆石墨稀材料負(fù)極材料的制備過程中:采用hummer法制備氧化石墨，然后將氧化石墨超聲分散在去離子水中形成親水性的氧化石墨烯懸浮液，氧化石墨烯表面含有大量的羧基，羥基，羰基等含氧基團(tuán)。然后加入氨基氰，攪拌均勻，放入到密閉反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，在反應(yīng)釜的高溫高壓環(huán)境下，氨基氰會(huì)發(fā)生聚合包覆在氧化石墨稀表面，同時(shí)，氨基氰也會(huì)與石墨稀表面的基團(tuán)反應(yīng)聚合。特別地，氧化石墨稀在整個(gè)水熱反應(yīng)過程中，因?yàn)樗疅岣母邷馗邏涵h(huán)境，表面的含氧基團(tuán)與氨基氰的反應(yīng)與分子間范德華力等的作用下發(fā)生卷曲，褶皺，形成三維立體結(jié)構(gòu)。然后將水熱得到的前驅(qū)體在保護(hù)氣氛下高溫碳化處理得到氮摻雜碳包覆石墨烯材料。
【附圖說明】
[0018]圖1是氧化石墨烯的投射電鏡圖(TEM)。
[0019]圖2是實(shí)施例1氮摻雜碳包覆石墨稀材料的投射電鏡圖(TEM)與元素mapping。
[0020]圖3是實(shí)施例1氮摻雜碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V、200mA/g電流密度下的充放電曲線。
[0021]圖4是實(shí)施例1氮摻雜碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V、200mA/g電流密度下的循環(huán)曲線。
[0022]圖5是實(shí)施例1氮摻雜碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V電壓下的倍率循環(huán)曲線。
[0023]圖6是實(shí)施例2氮摻雜碳包覆石墨烯材料的XRD圖譜。
[0024]圖7是實(shí)施例2氮摻雜碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V、200mA/g電流密度下的循環(huán)曲線。
[0025]圖8是實(shí)施例3氮摻雜碳包覆石墨烯材料在0.01-3.0V電壓下的倍率循環(huán)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了更詳細(xì)地說明本發(fā)明，給出下述制備實(shí)例。但本發(fā)明的范圍并不局限于此。
[0027]實(shí)施例1，氮摻雜碳包覆石墨烯材料的制備方法，包括以下步驟: 采用hummer法制備氧化石墨，將80mg氧化石墨在70mL去離子水中用250W的超聲儀超聲I小時(shí)形成氧化石墨稀懸浮液，然后加入1011^氨基氰水溶液(5()?^%)，攪拌均勾，放入到10mL反應(yīng)釜中，180°(:水熱反應(yīng)6小時(shí)，將水熱反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水洗滌，干燥，在氮?dú)鈿夥障?00°C高溫處理2小時(shí)，得到氮摻雜碳包覆石墨烯材料。
[0028]實(shí)施例1制備的鋰離子氮摻雜碳包覆石墨烯材料的電化學(xué)性能測試:
將實(shí)施例1制備的鋰離子氮摻雜碳包覆石墨烯材料與導(dǎo)電碳黑、粘結(jié)劑聚偏氯乙烯(PVDF)按質(zhì)量比8:1:1混合，再加入適量N-甲基吡咯烷酮(NMP)攪拌均勻，涂布到銅箔上，在真空烘箱中于90°C下烘干，在沖片機(jī)上剪片得氮摻雜碳包覆石墨烯材料電極片。將所得電極做正極，金屬鋰片為負(fù)極，電解液為含有IM LiPF6/(EC+DMC)(體積比為1:1)混合體系，隔膜為微孔聚丙烯膜(Celgard 2400)，在充滿氬氣(Ar)的手套箱內(nèi)組裝成2025型扣式電池。
[0029]測試儀器及方法如下:
TEM分析所用的儀器為日本電子公司的JSM-2010型投射電子顯微鏡(TEM)觀察試樣表面的微觀形貌，加