一種膨化熱解制備石墨烯/氧化鈷鋰電池負極材料的方法
【技術領域】
[0001]
本發明屬于納米材料和能源材料的交叉技術領域，涉及到一種以石墨烯為基體采用新穎的膨化熱解工藝制備石墨稀負載納米氧化鈷鋰電池負極材料的方法。
【背景技術】
[0002]
對于以石墨烯為基體采用膨化熱解法制備石墨烯負載納米氧化鈷的方法，這是制備石墨烯復合材料的一種固相制備工藝，在國內外還未見相應的專利報道，下面對與本發明相關的研究背景進行介紹說明。
[0003]鋰離子電池因具有工作電壓高、比能量高、容量大、自放電小、循環性好、使用壽命長、質量輕、體積小和污染小等優點而成為移動電話、筆記本電腦等移動電子設備的理想電源，并有可能成為未來電動汽車、電動自行車等的主要動力來源之一，因此鋰離子電池被稱為21世紀的綠色能源和主導電源，具有廣泛的民用和國防應用前景。鋰離子電池的電化學性能主要取決于所用電極材料的結構和性質，目前鋰離子電池及其材料技術已成為全世界各國關注的一個科技和產業焦點，也是我國能源領域重點扶持的高新技術產業。
[0004]石墨烯(Graphene)呈緊密堆積狀，是二維蜂窩狀晶格結構的sp2雜化的單層碳原子晶體。石墨烯具有別的碳材料所無法比擬的特點。理論的石墨烯厚度為0.3354nm，是目前世界上最薄的物質。它具有非常優異的電學性能，電子傳導速度達8X105m/s，是砷化嫁的20倍，是半導體硅的100倍；石墨烯還具有完美的量子隧道效應、半整數的量子霍爾效應、室溫鐵磁性和從不消失的電導率等；以及超常的比表面積(2630m2g 3等獨特的性質，這些特質使石墨烯作為鋰離子電池負極材料具有極大的應用潛力。但單一的石墨烯的儲鋰容量還不是很高，且體積密度太小限制其在實際應用的廣度和深度。
[0005]納米復合材料是隨著材料科學的發展而出現的一種新型材料，它是由兩種或兩種以上的性質不同的材料，通過各種工藝方法組合而成的一種多相固體材料。在鋰離子電池負極材料研究中，一般將碳和其他非碳負極材料(各種金屬氧化物及非金屬化合物等)結合以得到比容量大、循環性能好的復合電極材料。從目前總結來看，制備石墨烯復合材料通常采用液相方法，而此種方法過程比較復雜，影響因素較多，環境污染大，不適合規模化生產。
[0006]基于此，本發明提出一種綠色的固相工藝一膨化熱解法制備石墨烯負載納米氧化鈷新型鋰電池負極材料的方法。通過固相反應將兩種不同性質的負極材料一石墨烯和納米氧化鈷進行復合，通過協同效應實現復合材料高的儲鋰容量、好的循環壽命和倍率性能。這是一種成本低、操作簡單的制備新型鋰電池負極材料的新穎方法。
【發明內容】
[0007]本發明目的是在于發明一種以石墨烯為基體采用固相膨化熱解工藝制備石墨烯負載納米氧化鈷新型鋰電池負極材料的方法，能夠解決液相反應制備石墨稀基復合材料的過程復雜、結構多樣化及產量較低等不足之處，而且兩種材料的復合效應提高了材料的儲鋰容量和循環壽命，克服了單一材料可逆容量低、循環穩定性差的等問題。
[0008]本發明的技術方案如下:
以石墨烯為基體采用膨化熱解法制備石墨烯負載納米氧化鈷新型鋰電池負極材料包括兩個主要過程，一是傳統氧化石墨的制備；二是石墨烯負載納米氧化鈷復合材料的制備，這是本發明的說明重點。
[0009]1.以天然石墨粉為原料通過傳統Hmnmers法預制氧化石墨:
Hummers法氧化石墨:首先向1000ml的三口燒瓶中加入115ml 98%的濃硫酸，然后將其置于冰水浴中，待瓶內溫度降至0?5°C，在緩慢攪拌的情況下勻速依次加入5g石墨粉、15g高錳酸鉀和2.5g硝酸鈉，加大攪拌速度低溫反應2h，溶液為墨綠色。隨后用恒壓滴液漏斗緩慢滴加(1?2滴/s)230ml蒸餾水，將水浴溫度調至98°C，待瓶內溫度穩定后勻速滴加300ml蒸餾水，之后將水浴溫度降至30?40°C，再滴加適量的30%的雙氧水，溶液變為亮黃色。最后趁熱過濾用大量的蒸餾水洗至中性，80°C烘干后得到棕色粉末，備用。
[0010]2.膨化熱解法制備石墨稀負載納米氧化鈷復合材料:
用乙醇對六水合硝酸鈷進行溶浸處理，完全溶解后，加入與六水合硝酸鈷的質量比為1:1-1:3的氧化石墨并攪拌均勻，之后將混合物倒入陶瓷舟中進行干燥處理；干燥后將混合物取出并放入管式電阻爐中，在600°C高溫下膨化30s，收集膨化后的產物再次放入管式電阻爐中，在600°C高溫下還原0.5h，即得到石墨烯/氧化鈷納米復合材料；
所述干燥處理采用的方法為將裝有混合物的陶瓷舟放入預熱至60°C的鼓風干燥箱中，并在該溫度下干燥12 h;
所述管式電阻爐在混合物放入前在氮氣保護下升溫到600°C，且管式電阻爐中的膨化熱解過程是在氮氣的保護下進行的。
[0011]本發明的優越性:
(1)本發明采用固相膨化熱解法制備石墨烯負載納米氧化鈷新型鋰電池負極材料的方法，過程簡單、易操作、成本低、無毒無污染，制備方面有很大的實用價值。
[0012](2)本發明利用材料復合技術發揮組成材料的各自優點，克服單一材料的缺陷，研制的石墨烯負載納米氧化鈷新型鋰電池負極材料具有充放電容量高、循環壽命長和倍率性能好的優點，大大優于充放電容量低的石墨烯和循環穩定性差的納米氧化鈷。
[0013](3)本發明中石墨烯和氧化鈷納米粒子交互堆疊，形成的復合材料具有孔洞結構，可以緩沖氧化鈷顆粒嵌脫鋰過程中的體積變化，而且石墨烯和氧化鈷可以相互阻止對方的團聚，有利于保持復合材料中各組分的反應活性，從而表現出優異的電化學性能。
【附圖說明】
[0014]圖1是石墨烯/氧化鈷納米復合材料不同配比的循環的充放電循環性能曲線圖(充放電電流密度為lOOmAg ')。可逆充放電容量一直保持lOOOmAhg 1左右，表明了本發明所研制的鋰電池負極材料具有卓越的儲鋰容量和良好的循環穩定性。
[0015]具體實施說明
下面通過實施例對本發明的具體過程給予明示，應當理解，此處所描述的具體實例僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0016]實施例1
步驟1:Hu_