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CN109671937B - 一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法 - Google Patents

一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，步骤为：将可溶性铁盐、过渡金属盐和铈盐溶于去离子水中，混合得到均匀溶液；加入沉淀剂，至pH达到10以上，搅拌至沉淀完全，静置陈化，进行水热反应后，过滤并水洗至中性，烘干后得到氢氧化物复合物沉淀；称取石墨和高锰酸钾混合并加入浓硫酸和磷酸混合酸液，持续搅拌反应后冰水浴，加入沉淀，并加入相应量H2O2，继续搅拌并超声波分散；产物经过洗涤、离心、干燥与烧结，得到过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料。本发明在制备氧化石墨的过程中直接加入氢氧化物沉淀，使得氧化石墨烯原位生长在氢氧化物基体上，达到缓解金属氧化物用于锂离子电池负极时存在的体积膨胀效应。

Description

一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法
技术领域
本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法。
背景技术
与传统的二次电池相比，锂离子电池因具有能量密度高、安全无污染、自放电小、工作温度宽、循环寿命长、无记忆效应等优点，引起广泛关注。锂离子电池广泛应用于便携式电子设备(如手机、数码照相机、摄像机、笔记本电脑等)和电动工具等领域，并且逐步向电动自行车、电动汽车、新能源储能等领域拓展。
目前，石墨是锂离子电池负极最常用的材料，虽然其具有电子电导率高、循环寿命长、成本低廉、安全性能好等优势，但石墨的理论比容量仅有372mAh/g，难以满足高性能、高容量的锂离子电池的需求。过渡金属氧化物负极材料的能量密度和比容量高于石墨，而且来源广泛、价格便宜、制备简单，具有优越的电化学性能，然而其在充放电过程中存在着严重的体积膨胀效应，会导致电极材料粉化，活性物种脱落，造成电极的容量大幅度衰减，稳定性能难以得到保障。大量研究表明，若能选用合适的导电碳材料修饰金属氧化物，合理设计结构和形貌，可以有效的增强其导电性，缓解电极材料的体积膨胀效应。石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶格结构，是sp2杂化碳原子构成的高密度原子层排列形成的蜂窝网状结构，具有优良的电传导性、较高的比表面积( 2600 m2/g)、优异的热学性能和机械性能，在纳米电子、储氢、超级电容器和传感器领域中得到广泛应用。
现有石墨烯复合材料制备方法中包括采用将金属单质置于氧化石墨烯水溶液中，放置后生成的黑色固体产物经冷冻干燥后得到金属氧化物/石墨烯复合物等方式，但在用于锂离子电池负极时普遍存在体积膨胀的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，通过原位合成法，利用石墨烯优良的导电性能进而缓解金属氧化物用于锂离子电池负极时存在的体积膨胀效应，制备一种高容量，高性能的过渡金属氧化物/石墨烯复合材料。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，包括以下步骤：
(1)将可溶性铁盐，可溶性过渡金属盐，以及可溶性铈盐按摩尔比1：(0.01-0.5)：(0.01-0.1)，分别溶于去离子水中，混合均匀，形成均匀溶液；
(2)向均匀溶液中滴加沉淀剂，并在滴加过程中不断搅拌，直至溶液pH达到10以上，停止滴加，继续搅拌1-3h后，在室温下静置，陈化4h后，进行水热反应，再经过过滤并水洗至中性，烘干后得到过渡金属氢氧化物复合物沉淀，其中：所述的水热反应温度为120-180℃，时间为3-10h；
(3)按质量比为1:(3-4)，称取石墨和高锰酸钾混合均匀，加入装有浓硫酸和磷酸混合酸液的三口烧瓶中，持续搅拌反应12h后，得到灰绿色溶液，再冰水浴1-5h后，加入氢氧化物沉淀，之后在缓慢加入灰绿色溶液体积1/20-1/5的H2O2，继续搅拌30-40min后超声波分散1-2h，获得相互包覆生长的过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液。
(4)过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液经过洗涤、离心后，经干燥、焙烧，得到过渡型金属复合氧化物/石墨烯，其中，所述的焙烧气氛为无氧气氛，焙烧温度为下300-500℃，焙烧时间为3-6h。
所述的步骤(1)中，可溶性铁盐为硝酸铁、硫酸铁或氯化铁中的一种，可溶性铁盐作为基体使用。
所述的步骤(1)中，可溶性过渡金属盐为金属钴，金属锌，金属锰或金属钛的可溶性硝酸盐，硫酸盐或氯化盐中的一种，所述的可溶性过渡金属盐添加一种或多种。
所述的步骤(1)中，可溶性铈盐为硝酸铈或氯化铈中的一种。
所述的步骤(1)中，去离子水与可溶性铁盐的质量比为(10-25)：1。
所述的步骤(2)中，沉淀剂为氢氧化钠、氨水或脲素中的一种，滴加速率为1-500滴/分钟。
所述的步骤(2)中，水热反应在水热反应釜中进行。
所述的步骤(3)中，浓硫酸浓度为98%，浓硫酸和磷酸的配比为1:1。
所述的步骤(3)中，石墨与氢氧化物沉淀的质量百分比为(0.01-20)：100。
所述的步骤(3)中，加入H2O2后，溶液由灰绿色迅速变为亮黄色。
所述的步骤(3)中，采用改进Hummers法，制备氧化石墨烯过程中添加氢氧化物沉淀，获得过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液。
所述的步骤(4)中，焙烧气氛为氮气气氛，或惰性气体气氛。
所述的步骤(4)中，干燥操作在真空干燥箱中进行，干燥温度为60℃。
所述的步骤(4)中，制备的过渡型金属复合氧化物/石墨烯复合材料用作锂离子电池负极，经检测，电流密度为100mA/g，经过100循环后，比容量达到1210-1260mAh/g，库伦效率达到99.5%以上。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用原位合成法在合成氧化石墨烯的过程中，直接加入过渡金属氢氧化物的复合物，工艺简单易操作，生产成本低；
(2)本发明方法制备的过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料具有多孔结构，比表面积达到100-200m2/g，CeO2有利于纳米棒的生成，石墨烯均匀分散在产物颗粒缝隙之间，这种结构能够缓冲了金属氧化物在充放电循环过程中的体积膨胀效应，并提高电极反应动力学性能。
发附图说明
图1为本发明实施例1制备的过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的XRD图；
图2为本发明实施例1制备的过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的SEM图；
图3为本发明实施例1制备的过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料用作锂离子电池负极的循环曲线图；
图4为本发明实施例4制备的过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
(1)将硝酸铁，硝酸钴，以及硝酸铈分别以摩尔比1：0.1：0.02溶于去离子水中，混合均匀搅拌后得到均匀溶液；(2)将氨水以100滴/分钟加入溶液中，直至pH达到10，继续持续搅拌2小时使沉淀完全，室温下静置陈化4h后，放入水热反应釜中，于160℃水热反应6h，过滤并水洗至中性，烘干后得到Fe2O3-Co2O3-CeO2复合氢氧化物沉淀；(3)使用改进的Hummers法制备氧化石墨烯：称取一定量的石墨和高锰酸钾混合均匀，加入装有98%浓硫酸和磷酸混合酸液的三口烧瓶中，持续搅拌反应12h，得到的灰绿色溶液后，冰水浴2h，加入氢氧化物沉淀(石墨的质量百分比为10%)，之后缓慢加入10mL的H2O2，此时溶液由灰绿色迅速变为亮黄色，继续搅拌30min后超声波分散1h，获得相互包覆生长的过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液；(4)过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液经过洗涤、离心后，将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥，氮气气氛下400℃焙烧4小时，得到Fe2O3-Co2O3-CeO2/石墨烯负极材料，比表面积达到200m2/g，其XRD图如图1所示，物相主要为Fe2O3相，SEM图如图2所示，该负极材料用作锂离子电池负极的循环曲线图如图3所示，在电流密度为100mA/g下经过100循环后，比容量稳定在1254mAh/g，库伦效率为99.57%。
实施例2
(1)将氯化铁，硫酸锰，以及氯化铈分别以摩尔比1：0.5：0.06溶于去离子水中，混合均匀搅拌后得到均匀溶液；(2)将氨水以300滴/分钟加入溶液中，直至pH达到10，继续持续搅拌2小时使沉淀完全，室温下静置陈化4h后放入水热反应釜中，于180℃水热反应4h，过滤并水洗至中性，烘干后得到Fe2O3-MnO2-CeO2复合氢氧化物沉淀；(3)使用改进的Hummers法制备氧化石墨：称取一定量的石墨和高锰酸钾混合均匀，加入装有98%浓硫酸和磷酸混合酸液的三口烧瓶中，持续搅拌反应12h，得到的灰绿色溶液后冰水浴2h，加入氢氧化物沉淀(石墨的质量百分比为5%)，之后缓慢加入10mL的H2O2，此时溶液由灰绿色迅速变为亮黄色，继续搅拌30min后超声波分散1h，获得相互包覆生长的过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液；(4)过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液经过洗涤、离心后，将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥，氮气气氛下400℃焙烧5小时，得到Fe2O3-MnO2-CeO2/石墨烯负极材料，比表面积达到150m2/g，在电流密度为100mA/g下经过100循环后，比容量稳定在1219mAh/g，库伦效率为99.53%。
实施例3
(1)将硫酸铁，硫酸钛，以及氯化铈分别以摩尔比1：0.3：0.03溶于去离子水中，混合均匀搅拌后得到均匀溶液；(2)将氨水以400滴/分钟加入溶液中，直至pH达到10，继续持续搅拌2小时使沉淀完全，室温下静置陈化4h后放入水热反应釜中，于140℃水热反应5h，过滤并水洗至中性，烘干后得到Fe2O3-TiO2-CeO2复合氢氧化物沉淀；(3)使用改进的Hummers法制备氧化石墨：称取一定量的石墨和高锰酸钾混合均匀，加入装有98%浓硫酸和磷酸混合酸液的三口烧瓶中，持续搅拌反应12h，得到的灰绿色溶液后冰水浴2h，加入氢氧化物沉淀(石墨的质量百分比为20%)，之后缓慢加入10mL的H2O2，此时溶液由灰绿色迅速变为亮黄色，继续搅拌30min后超声波分散1h，获得相互包覆生长的过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液；(4)过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液产物经过洗涤、离心后，将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥，氮气气氛下500℃焙烧6小时，得到Fe2O3-TiO2-CeO2/石墨烯负极材料，比表面积达到160m2/g，在电流密度为100mA/g下经过100循环后，比容量稳定在1232mAh/g，库伦效率为99.55%。
实施例4
(1)将硫酸铁，氯化锌，以及硝酸铈分别以摩尔比1：0.5：0.1溶于去离子水中，混合均匀搅拌后得到均匀溶液；(2)将氨水以500滴/分钟加入溶液中，直至pH达到10，继续持续搅拌2小时使沉淀完全，室温下静置陈化4h后放入水热反应釜中，于120℃水热反应6h，过滤并水洗至中性，烘干后得到Fe2O3-ZnO2-CeO2复合氢氧化物沉淀；(3)使用改进的Hummers法制备氧化石墨：称取一定量的石墨和高锰酸钾混合均匀，加入装有98%浓硫酸和磷酸混合酸液的三口烧瓶中，持续搅拌反应12h，得到的灰绿色溶液后冰水浴2h，加入氢氧化物沉淀(石墨的质量百分比为15%)，之后缓慢加入10mL的H2O2，此时溶液由灰绿色迅速变为亮黄色，继续搅拌30min后超声波分散1h，获得相互包覆生长的过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液；(4)过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液产物经过洗涤、离心后，将滤饼置于60℃的真空干燥箱中充分干燥，氮气气氛下400℃焙烧3小时，得到Fe2O3-ZnO2-CeO2/石墨烯负极材料，SEM图如图4所示，比表面积达到180m2/g，在电流密度为100mA/g下经过100循环后，比容量稳定在1247mAh/g，库伦效率为99.54%。

Claims (6)

1.一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将可溶性铁盐，可溶性过渡金属盐，以及可溶性铈盐按摩尔比1：(0.01-0.5)：(0.01-0.1)，分别溶于去离子水中，混合均匀，形成均匀溶液；
(2)向均匀溶液中滴加沉淀剂，并在滴加过程中不断搅拌，直至溶液pH达到10以上，停止滴加，继续搅拌1-3h后，在室温下静置，陈化4h后，进行水热反应，再经过过滤并水洗至中性，烘干后得到过渡金属氢氧化物复合物沉淀，其中：所述的沉淀剂为氢氧化钠，氨水或尿素中的一种，所述的水热反应温度为120-180℃，时间为3-10h；
(3)按质量比为1:(3-4)，称取石墨和高锰酸钾混合均匀，加入装有浓硫酸和磷酸混合酸液的三口烧瓶中，持续搅拌反应12h后，得到灰绿色溶液，再冰水浴1-5h后，加入过渡金属氢氧化物复合物沉淀，之后在缓慢加入灰绿色溶液体积1/20-1/5的H2O2，继续搅拌30-40min后超声波分散1-2h，获得相互包覆生长的过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液；
(4)过渡型金属氢氧化物/氧化石墨烯的悬浊液经过洗涤、离心后，经干燥、焙烧，得到过渡型金属复合氧化物/石墨烯，其中，所述的焙烧气氛为无氧气氛，焙烧温度为下300-500℃，焙烧时间为3-6h。
2.根据权利要求1所述的一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，可溶性铁盐为硝酸铁、硫酸铁或氯化铁中的一种，可溶性铁盐作为基体使用。
3.根据权利要求1所述的一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，可溶性过渡金属盐为金属钴，金属锌，金属锰或金属钛的可溶性硝酸盐，硫酸盐或氯化盐中的一种，所述的可溶性过渡金属盐添加一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，可溶性铈盐为硝酸铈或氯化铈中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，焙烧气氛为氮气气氛，或惰性气体气氛。
6.根据权利要求1所述的一种过渡型金属氧化物/石墨烯复合材料的原位合成方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，制备的过渡型金属复合氧化物/石墨烯复合材料用作锂离子电池负极，经检测，电流密度为100mA/g，经过100循环后，比容量达到1210-1260mAh/g，库伦效率达到99.5%以上。
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