【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于鋰離子電池的石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法。

背景技術(shù)：

鋰離子電池具有比容量高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，適合作為新型能源的高效儲(chǔ)能器件。由于鋰離子電池的正極材料多為過(guò)渡金屬氧化物或者過(guò)渡金屬磷酸鹽，電子導(dǎo)電性較差，同時(shí)由于石墨材料的膨脹收縮，使石墨間的接觸減少，也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性能變差，因此，需要添加導(dǎo)電劑填充到活性物質(zhì)之間的間隙，從而形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高電極的導(dǎo)電性。此外，導(dǎo)電劑還需要起到吸收和保持電解液的作用，為鋰離子在電極中的順利遷移提供通道，降低電極的歐姆阻抗和電化學(xué)阻抗。

傳統(tǒng)的鋰離子電池導(dǎo)電劑有炭黑和石墨，炭黑是一種類(lèi)球狀材料，其導(dǎo)電機(jī)理主要是通過(guò)分散到活性物質(zhì)周?chē)纬啥嘀ф湢顚?dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，然而需要添加大量的炭黑才能保證形成均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；石墨呈無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)，填充在活性物質(zhì)之間形成導(dǎo)電橋進(jìn)行導(dǎo)電，但是與活性物質(zhì)之間是點(diǎn)接觸，限制了導(dǎo)電作用的發(fā)揮，加入量較大。

目前，石墨烯作為導(dǎo)電劑具有較大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槭槠瑺罱Y(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點(diǎn)面接觸，能夠減少加入量，有利于提升鋰離子電池的能量密度，然而將氧化石墨烯還原成石墨烯的方法中需要使用無(wú)水肼這種毒性大、刺激性強(qiáng)的還原劑，不僅會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)不良的影響，對(duì)操作人員的防護(hù)要求也很高。鑒于此，實(shí)有必要提供一種新型石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法以克服上述缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種無(wú)污染、操作簡(jiǎn)單且易于工業(yè)化生產(chǎn)的石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法。

本發(fā)明提供的一種石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法，包括以下步驟：

1)將濃硫酸、鱗片石墨及高錳酸鉀先后加入放置在恒溫水浴箱內(nèi)的反應(yīng)容器中并控制所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫，反應(yīng)一段時(shí)間后得到綠色混合液；

2)提高所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫反應(yīng)一段時(shí)間后，繼續(xù)提高所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫并向所述反應(yīng)容器中加入去離子水得到棕色混合液；

3)將所述反應(yīng)容器從所述恒溫水浴箱內(nèi)取出并加入適量的過(guò)氧化氫溶液，攪拌均勻后得到金黃色混合液，經(jīng)過(guò)離心、洗滌、干燥、研磨后獲得氧化石墨烯；

4)將所述氧化石墨烯放入微波爐內(nèi)進(jìn)行熱還原反應(yīng)后即可獲得石墨烯導(dǎo)電劑。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，濃硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，步驟1)中，所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫控制在-5-5℃范圍內(nèi)時(shí)將濃硫酸加入所述反應(yīng)容器中，然后加入鱗片石墨，待鱗片石墨分散開(kāi)后加入高錳酸鉀，反應(yīng)1-2h后得到綠色混合液。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，步驟2)中，將所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫提高至25-35℃范圍內(nèi)反應(yīng)1-2h，然后把水溫提高至60-70℃范圍內(nèi)并向所述反應(yīng)容器中加入去離子水得到棕色混合液。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，過(guò)氧化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，步驟4)中，將氧化石墨烯放入微波爐內(nèi)在300-450℃的爐溫下進(jìn)行熱還原反應(yīng)。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，步驟4)中，將氧化石墨烯放入微波爐內(nèi)，爐內(nèi)溫度按照2-10℃/min的升溫速率升至300℃并保溫2h后降溫。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，濃硫酸、鱗片石墨及高錳酸鉀的質(zhì)量比為25:1:3。

本發(fā)明提供的石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法采用污染性小的原料，并且直接使用微波熱處理的方式還原氧化石墨烯，得到的石墨烯導(dǎo)電劑還原程度更好。此外，采用該方法制備出的石墨烯導(dǎo)電劑具有導(dǎo)電性好、比表面積大、孔隙率高的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于制備鋰離子電池時(shí)，不僅減少了導(dǎo)電劑的使用量還能夠形成均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使活性材料和集流體之間的接觸更加緊密，極大的縮短了鋰離子的擴(kuò)散路徑，提高了極片的保液性，從而使鋰離子電池的循環(huán)性能和倍率性能得到了改善。

【附圖說(shuō)明】

圖1是本發(fā)明提供的石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法由實(shí)施例1制備的石墨烯導(dǎo)電劑樣品的xrd圖。

圖2是本發(fā)明提供的石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法由實(shí)施例1制備的石墨烯導(dǎo)電劑樣品的sem圖。

【具體實(shí)施方式】

本發(fā)明提供一種石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法，包括以下步驟：1)將濃硫酸、鱗片石墨及高錳酸鉀先后加入放置在恒溫水浴箱內(nèi)的反應(yīng)容器中并控制所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫，反應(yīng)一段時(shí)間后得到綠色混合液；2)提高所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫反應(yīng)一段時(shí)間后，繼續(xù)提高所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫并向所述反應(yīng)容器中加入去離子水得到棕色混合液；3)將所述反應(yīng)容器從所述恒溫水浴箱內(nèi)取出并加入適量的過(guò)氧化氫溶液，攪拌均勻后得到金黃色混合液，經(jīng)過(guò)離心、洗滌、干燥、研磨后獲得氧化石墨烯；4)將所述氧化石墨烯放入微波爐內(nèi)進(jìn)行熱還原反應(yīng)后即可獲得石墨烯導(dǎo)電劑。

具體的，步驟1)中，所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫控制在-5-5℃范圍內(nèi)時(shí)將濃硫酸加入所述反應(yīng)容器中，然后緩慢加入鱗片石墨，待鱗片石墨分散開(kāi)后緩慢加入高錳酸鉀，反應(yīng)1-2h后得到綠色混合液。步驟2)中，將所述恒溫水浴箱內(nèi)的水溫提高至25-35℃范圍內(nèi)反應(yīng)1-2h，然后把水溫提高至60-70℃范圍內(nèi)并向所述反應(yīng)容器中加入去離子水得到棕色混合液。步驟4)中，將氧化石墨烯放入微波爐內(nèi)在300-450℃的爐溫下進(jìn)行熱還原反應(yīng)，進(jìn)一步的，將氧化石墨烯放入微波爐內(nèi)，爐內(nèi)溫度按照2-10℃/min的升溫速率升至300℃并保溫2h后降溫。

優(yōu)選的，濃硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％，過(guò)氧化氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％，濃硫酸、鱗片石墨及高錳酸鉀的質(zhì)量比為25:1:3。

實(shí)施例1

將230ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸倒入放置在恒溫水浴箱內(nèi)的反應(yīng)容器中，此時(shí)恒溫水浴箱中的水溫保持在0℃，然后將10g鱗片石墨緩慢加入所述反應(yīng)容器中，待鱗片石墨分散均勻后再緩慢加入30g高錳酸鉀，反應(yīng)1.5h后得到綠色混合溶液。接下來(lái)將所述水浴恒溫箱內(nèi)的水溫升至35℃反應(yīng)1.5h后，把水溫提高至65℃并向所述反應(yīng)容器中緩慢加入去離子水得到棕色混合液。將所述反應(yīng)容器取出所述恒溫水浴箱并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的過(guò)氧化氫溶液，攪拌均勻后得到金黃色混合液，經(jīng)過(guò)離心、洗滌、干燥、研磨后得到氧化石墨烯。最后將氧化石墨烯放入工業(yè)微波爐中，按照5℃/min的加熱速率加熱至300℃，保溫2h后降至室溫并研磨即可獲得石墨烯導(dǎo)電劑。

實(shí)施例2

將230ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸倒入放置在恒溫水浴箱內(nèi)的反應(yīng)容器中，此時(shí)恒溫水浴箱中的水溫保持在0℃，然后將10g鱗片石墨緩慢加入所述反應(yīng)容器中，待鱗片石墨分散均勻后再緩慢加入30g高錳酸鉀，反應(yīng)1.5h后得到綠色混合溶液。接下來(lái)將所述水浴恒溫箱內(nèi)的水溫升至35℃反應(yīng)1.5h后，把水溫提高至65℃并向所述反應(yīng)容器中緩慢加入去離子水得到棕色混合液。將所述反應(yīng)容器取出所述恒溫水浴箱并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的過(guò)氧化氫溶液，攪拌均勻后得到金黃色混合液，經(jīng)過(guò)離心、洗滌、干燥、研磨后得到氧化石墨烯。最后將氧化石墨烯放入工業(yè)微波爐中，按照5℃/min的加熱速率加熱至350℃，保溫2h后降至室溫并研磨即可獲得石墨烯導(dǎo)電劑。

實(shí)施例3

將230ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸倒入放置在恒溫水浴箱內(nèi)的反應(yīng)容器中，此時(shí)恒溫水浴箱中的水溫保持在0℃，然后將10g鱗片石墨緩慢加入所述反應(yīng)容器中，待鱗片石墨分散均勻后再緩慢加入30g高錳酸鉀，反應(yīng)1.5h后得到綠色混合溶液。接下來(lái)將所述水浴恒溫箱內(nèi)的水溫升至35℃反應(yīng)1.5h后，把水溫提高至65℃并向所述反應(yīng)容器中緩慢加入去離子水得到棕色混合液。將所述反應(yīng)容器取出所述恒溫水浴箱并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的過(guò)氧化氫溶液，攪拌均勻后得到金黃色混合液，經(jīng)過(guò)離心、洗滌、干燥、研磨后得到氧化石墨烯。最后將氧化石墨烯放入工業(yè)微波爐中，按照5℃/min的加熱速率加熱至400℃，保溫2h后降至室溫并研磨即可獲得石墨烯導(dǎo)電劑。

實(shí)施例4

將230ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸倒入放置在恒溫水浴箱內(nèi)的反應(yīng)容器中，此時(shí)恒溫水浴箱中的水溫保持在0℃，然后將10g鱗片石墨緩慢加入所述反應(yīng)容器中，待鱗片石墨分散均勻后再緩慢加入30g高錳酸鉀，反應(yīng)1.5h后得到綠色混合溶液。接下來(lái)將所述水浴恒溫箱內(nèi)的水溫升至35℃反應(yīng)1.5h后，把水溫提高至65℃并向所述反應(yīng)容器中緩慢加入去離子水得到棕色混合液。將所述反應(yīng)容器取出所述恒溫水浴箱并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的過(guò)氧化氫溶液，攪拌均勻后得到金黃色混合液，經(jīng)過(guò)離心、洗滌、干燥、研磨后得到氧化石墨烯。最后將氧化石墨烯放入工業(yè)微波爐中，按照5℃/min的加熱速率加熱至450℃，保溫2h后降至室溫并研磨即可獲得石墨烯導(dǎo)電劑。

請(qǐng)參閱圖1及圖2，采用x-射線衍射儀和掃描電子顯微鏡分析觀察實(shí)施例1獲得的石墨烯導(dǎo)電劑樣品。xrd圖譜表明：經(jīng)過(guò)液相反應(yīng)得到的氧化石墨烯在11.4°有一個(gè)特征峰，這對(duì)應(yīng)于氧化石墨烯導(dǎo)電劑在(001)面上的晶面間距為0.804nm。經(jīng)過(guò)微波熱處理還原后得到的石墨稀導(dǎo)電劑在25.0°有一個(gè)很寬的特征峰，這對(duì)應(yīng)于石墨烯導(dǎo)電劑在(002)上的晶面間距為0.375nm，晶面間距減小，是因?yàn)檠趸┢瑢又械暮豕倌軋F(tuán)在高溫下熱解，從而將其結(jié)構(gòu)撐開(kāi)，得到了石墨烯導(dǎo)電劑。sem圖表明：采用本發(fā)明提供的石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法所制備出來(lái)的石墨烯導(dǎo)電劑的形貌是含有多褶皺的納米薄片狀。

本發(fā)明提供的石墨烯導(dǎo)電劑的制備方法采用污染性小的原料，并且直接使用微波熱處理的方式還原氧化石墨烯，得到的石墨烯導(dǎo)電劑還原程度更好。此外，采用該方法制備出的石墨烯導(dǎo)電劑具有導(dǎo)電性好、比表面積大、孔隙率高的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于制備鋰離子電池時(shí)，不僅減少了導(dǎo)電劑的使用量還能夠形成均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使活性材料和集流體之間的接觸更加緊密，極大的縮短了鋰離子的擴(kuò)散路徑，提高了極片的保液性，從而使鋰離子電池的循環(huán)性能和倍率性能得到了改善。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施局限于這些說(shuō)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。