一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法技術

本發明專利技術提供了一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法，具有這樣的特征，包括以下步驟：步驟1，稱取石墨和碳納米管，對石墨和納米管進行氧化處理，得到氧化石墨烯和氧化碳納米管；步驟2，將氧化石墨烯與氧化碳納米管進行混合得到混合物，混合物中氧化碳納米管所占的質量比例為10％?80％；步驟3，對混合物進行超聲處理后放入水熱釜中進行水熱反應，得到石墨烯凝膠，對石墨烯凝膠進行冷凍干燥，得到石墨烯基底材料；步驟4，將石墨烯基底材料與紅磷固體粉末進行混合封管，得到混合材料，對混合材料進行焙燒，得到碳磷復合負極材料。

Preparation of a High Performance Carbon-Phosphorus Composite Anode Material

The invention provides a preparation method of high-performance carbon-phosphorus composite anode material, which has the following characteristics: step 1, graphite and carbon nanotubes are weighed, graphite and nanotubes are oxidized to obtain graphene oxide and carbon nanotubes; step 2, graphene oxide and carbon nanotubes are mixed to obtain a mixture, carbon oxide in the mixture. The mass ratio of nanotubes is 10% to 80%; step 3, after ultrasonic treatment of the mixture, hydrothermal reaction is carried out in the hydrothermal kettle and graphene gel is obtained, then the graphene gel is freeze-dried to obtain the graphene base material. Step 4, a mixture of the graphene base material and the red phosphorus solid powder is mixed to obtain the mixed material, and the baking material is mixed. Carbon-phosphorus composite anode material was obtained.

【技術實現步驟摘要】
一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法
本專利技術屬于材料學領域，具體涉及一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法。
技術介紹
在社會不斷發展及環境日益惡化的背景下，風能、氫能、太陽能等可再生能源的飛速發展，帶動了電化學儲能設備的飛速發展。在眾多可充電電池中，鋰離子電池因其具有高的能量密度、長循環壽命以及無記憶效應等優勢，在儲能設備中具有廣闊的前景。但隨著大功率設備(如電動汽車、便攜式電子器件)的普及，就需要儲能器件具有更高的能量密度及更長的循環壽命。同時，由于鋰的儲量及成本問題，急需開發新型儲能器件來代替鋰離子電池，而鈉和鉀元素因具有儲量豐富及電化學性能與鋰相似等優勢，有望成為下一代新能源電池的主力軍。目前，在商業化鋰離子電池的負極一般是石墨，其理論容量低(372mAh/g)，已無法滿足社會發展需求。石墨烯是近年來備受關注的二維層狀材料，在眾多領域具有廣闊的應用前景。相比于其它碳材料，石墨烯是由單片層厚度的碳原子無序松散聚集形成，這種結構有利于Li+的嵌入，在片層和邊緣都能儲存Li+，因此理論容量明顯高于石墨。但由于石墨烯極易堆積成多層結構，會喪失因高比表面積而具有的高儲鋰優勢，對此急需設計并構建出具有特殊結構的石墨烯基材料，并在離子電池中展現出優異的電化學性能。近年來，研究者為了解決石墨烯的團聚問題進行了大量的科學研究，但大多數調控石墨烯層間距的方法較為復雜，統一性較差。為了進一步提升材料的容量，需要復合具有理論容量高的物質。目前，因紅磷具有儲量豐富、價格低廉和理論容量高(2596mAh/g)等優勢，已然成為儲能器件領域的熱門研究對象。對紅磷而言，雖其具有諸多優點，但導電性差(電導率<10-14S/cm))和充放電過程中體積變化大(440％)的問題限制了紅磷的發展。近年來，研究者為了利用紅磷高理論容量的優勢，進行了大量的科學研究，主要集中于與導電性較好的碳材料進行復合，雖能在一定程度上的進行性能優化，但大多數制備方法復雜且紅磷分散不均勻。
技術實現思路
本專利技術是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法。本專利技術提供了一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法，具有這樣的特征，包括以下步驟：步驟1，稱取石墨和碳納米管，對石墨和納米管進行氧化處理，得到氧化石墨烯和氧化碳納米管；步驟2，將氧化石墨烯與氧化碳納米管進行混合得到混合物，混合物中氧化碳納米管所占的質量比例為10％-80％；步驟3，對混合物進行超聲處理后放入水熱釜中進行水熱反應，得到石墨烯凝膠，對石墨烯凝膠進行冷凍干燥，得到石墨烯基底材料；步驟4，將石墨烯基底材料與紅磷固體粉末進行混合封管，得到混合材料，對混合材料進行焙燒，得到碳磷復合負極材料。在本專利技術提供的一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟1中，氧化處理的方法為Hummers法。在本專利技術提供的一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟1中，碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管。在本專利技術提供的一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟3中，進行水熱反應時的反應溫度為120℃-200℃，反應時間為12h-24h。在本專利技術提供的一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟4中，混合材料中紅磷所占的質量比例為30％-70％。在本專利技術提供的一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟4中，焙燒時的焙燒溫度為500℃-800℃，焙燒時間為1h-4h。專利技術的作用與效果根據本專利技術所涉及的一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法，因為通過調控碳納米管的摻雜含量來改變石墨烯基底材料的層間距，過程簡單，操作簡便，同時不同層間距的石墨烯基底材料能夠獲得不同的復合負極材料，從而使得復合負極材料能夠在不同的電極體系中進行運用；因為石墨烯與碳納米管會自組裝形成三維凝膠結構，該三維凝膠結構能夠增加復合負極材料的導電性，提升復合負極材料的電化學性能；因為通過高溫滲磷的方式制備復合負極材料，所以，能夠有效的將紅磷填入石墨烯基底材料的層間距中，并且能夠通過控制石墨烯基地材料的層間距來調控高溫滲入的紅磷的含量來獲得不同適用環境的復合負極材料；因為采用高溫對石墨烯基底材料與紅磷進行復合，使得兩者之間形成牢固的化學鍵，該化學鍵的存在能夠有效的提升材料的導電性能，并能限制紅磷的體積膨脹，保持紅磷的材料結構，從而提高活性物質紅磷的利用率，防止電池容量的大幅度衰減。因此，本專利技術涉及的一種高性能碳磷復合負極材料進行制備使用的原材料均無毒環保，得到的復合負極材料導電性能好，儲電容量高，能夠在不同的電極體系中進行運用。且本專利技術的一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法的流程簡單、可控性強且不需要特殊設備，能夠簡單有效的對石墨烯基底材料的層間距進行控制，從而獲得不同層間距的高性能碳磷復合負極材料，能夠實現大規模的工業化生產。附圖說明圖1是本專利技術的實施例中不同層間距的石墨烯基底材料的XRD圖譜；圖2是本專利技術的實施例一中摻雜50％碳納米管的石墨烯基底材料與紅磷的復合負極材料在100mAg-1的電流下的充放電循環圖；圖3是本專利技術的實施例二中摻雜25％碳納米管的石墨烯基底材料與紅磷的復合負極材料的TEM圖；圖4為本專利技術的實施例二中摻雜25％碳納米管的石墨烯基底材料與紅磷的復合負極材料在100mAg-1的電流下的前三圈充放電循環圖。具體實施方式為了使本專利技術實現的技術手段與功效易于明白了解，以下結合實施例及附圖對本專利技術作具體闡述。<實施例一>摻雜50％單壁碳納米管的石墨烯基底材料與紅磷的復合負極材料的制備，包括以下步驟：步驟1，稱取石墨和單壁碳納米管，通過Hummers法進行氧化處理來制備氧化石墨烯和氧化碳納米管，并將兩者的濃度控制在10mg/ml。步驟2，以1：1的比例將制備得到的氧化石墨烯和氧化碳納米管進行混合，得到混合物，混合物中氧化碳納米管質量占比為50％。步驟3，將混合物放入20ml的試劑瓶中，進行30分鐘的超聲處理后將試劑瓶轉入100ml的水熱釜中，在180℃下進行水熱反應12h，得到石墨烯凝膠，對石墨烯凝膠進行冷凍干燥，獲得摻雜50％碳納米管的石墨烯基底材料。步驟4，將摻雜50％碳納米管的石墨烯基底材料與紅磷以1：1的質量比進行混合封管后在600℃下高溫焙燒2h，得到摻雜50％碳納米管的石墨烯基底材料與紅磷的復合負極材料。制備得到的復合負極材料用于進行鋰離子電池的組裝，組裝過程如下：將制備得到的摻雜50％碳納米管的石墨烯基底材料與紅磷的復合負極材料與10wt％的粘結劑(濃度為0.04g/ml的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液)和10wt％的導電劑(SuperP導電碳黑)混合，攪拌均勻后涂覆在銅箔上，在60℃的烘箱中烘干，然后再用直徑為12mm的沖頭沖成電極片，將電極片放入80℃的真空烘箱中干燥12h，然后轉移到充滿高純氬氣的手套箱中，將金屬鋰片作為對電極，將Celgard3501作為隔膜，將1mol/L六氟磷酸鋰的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和氟代碳酸乙烯酯(體積比45：45：10)混合溶液作為電解液，組裝成CR2032扣式電池，在LAND電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，稱取石墨和碳納米管，對所述石墨和所述納米管進行氧化處理，得到氧化石墨烯和氧化碳納米管；步驟2，將所述氧化石墨烯與所述氧化碳納米管進行混合得到混合物，所述混合物中所述氧化碳納米管所占的質量比例為10％?80％；步驟3，對所述混合物進行超聲處理后放入水熱釜中進行水熱反應，得到石墨烯凝膠，對所述石墨烯凝膠進行冷凍干燥，得到石墨烯基底材料；步驟4，將所述石墨烯基底材料與紅磷固體粉末進行混合封管，得到混合材料，對所述混合材料進行高溫焙燒，得到碳磷復合負極材料。

【技術特征摘要】
1.一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，稱取石墨和碳納米管，對所述石墨和所述納米管進行氧化處理，得到氧化石墨烯和氧化碳納米管；步驟2，將所述氧化石墨烯與所述氧化碳納米管進行混合得到混合物，所述混合物中所述氧化碳納米管所占的質量比例為10％-80％；步驟3，對所述混合物進行超聲處理后放入水熱釜中進行水熱反應，得到石墨烯凝膠，對所述石墨烯凝膠進行冷凍干燥，得到石墨烯基底材料；步驟4，將所述石墨烯基底材料與紅磷固體粉末進行混合封管，得到混合材料，對所述混合材料進行高溫焙燒，得到碳磷復合負極材料。2.根據權利要求1所述的一種高性能碳磷復合負極材料的制備方法，其特征在于：其中，所述步驟1中，所述氧化處理...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭時有，阮佳鋒，楊俊和，龐越鵬，袁濤，
申請(專利權)人：上海理工大學，
類型：發明
國別省市：上海,31