一種電池用石墨烯材料及其製備方法與流程

2024-03-30 15:18:05 2

技術領域

本申請屬於石墨烯材料的製備領域，尤其涉及一種電池用石墨烯材料及其製備方法。

背景技術：

石墨烯電池，利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出的一種新能源電池。

石墨烯目前最有潛力的應用是成為矽的替代品，製造超微型電晶體，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代矽，計算機處理器的運行速度將會快數百倍。

美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出一種新的電池。這種新的電池可把數小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認為，未來一分鐘快充石墨烯電池實現產業化後，將帶來電池產業的變革，從而也促使新能源汽車產業的革新。

實際上石墨烯本來就存在於自然界，只是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來就是二氧化矽，厚1毫米的二氧化矽大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕划過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

新型石墨烯電池實驗階段的成功，無疑將成為電池產業的一個新的發展點。電池技術是電動汽車大力推廣和發展的最大門檻，而目前的電池產業正處於鉛酸電池和傳統鋰電池發展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設備的研製成功後，若能批量生產，則將為電池產業乃至電動車產業帶來新的變革。

由於其獨有的特性，石墨烯被稱為「神奇材料」，科學家甚至預言其將「徹底改變21世紀」。曼徹斯特大學副校長Colin Bailey教授稱：「石墨烯有可能徹底改變數量龐大的各種應用，從智慧型手機和超高速寬帶到藥物輸送和計算機晶片。」。

中國在石墨烯研究上也具有獨特的優勢，從生產角度看，作為石墨烯生產原料的二氧化矽，在我國儲能豐富，價格低廉。另外，批量化生產和大尺寸生產是阻礙石墨烯大規模商用的最主要因素。而我國最新的研究成果已成功突破這兩大難題，製造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產難題。利用化學氣相沉積法成功製造出了國內首片15英寸的單層石墨烯，並成功地將石墨烯透明電極應用於電阻觸控螢幕上，製備出了7英寸石墨烯觸控螢幕。

中科院重慶綠色智能技術研究院的研究人員在展示單層石墨烯產品的超強透光性和柔性。

中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟率領貝特瑞、正泰集團、常州第六元素、億陽集團等四家上市公司的代表參加了西班牙的石墨烯會議，並分別與義大利、瑞典代表團籤訂了深度戰略合作協議，為「石墨烯全球併購，中國整合」戰略打響了第一槍。此外，3月初全球首批3萬部量產石墨烯手機在重慶發布，開啟了石墨烯產業化應用的新時代。石墨烯入選「十三五」新材料規劃已經基本落定，預計2015年將成為中國石墨烯產業爆發元年，隨著社會城市化、科技化、人性化的發展，設計一種穩定性好、成本低廉、產率高且可規模化生產的電池用石墨烯材料及其製備方法，以滿足市場需求，是非常必要的。

技術實現要素：

解決的技術問題：

本申請針對現有石墨烯複合複合物產率低、穩定性差和成本高等技術問題，提供一種電池用石墨烯材料及其製備方法。

技術方案：

一種電池用石墨烯材料，所述電池用石墨烯材料的原料按重量份數配比如下：聚苯醚100份，二氧化矽5-25份，磷酸鐵鋰4-8份，石墨2-6份，矽灰石粉1-5份，鈦白粉4-8份，氨水10-14份，氫氧化鉀0.3-0.7份，碳酸二甲酯30-50份，硝酸鈉20-40份，乙醇10-30份，環己烷6-10份，丙醇8-12份，丙酮3-7份，磷酸銨15-35份。

作為本發明的一種優選技術方案：所述電池用石墨烯材料的原料按重量份數配比如下：聚苯醚100份，二氧化矽5份，磷酸鐵鋰4份，石墨2份，矽灰石粉1份，鈦白粉4份，氨水10份，氫氧化鉀0.3份，碳酸二甲酯30份，硝酸鈉20份，乙醇10份，環己烷6份，丙醇8份，丙酮3份，磷酸銨15份。

作為本發明的一種優選技術方案：所述電池用石墨烯材料的原料按重量份數配比如下：聚苯醚100份，二氧化矽25份，磷酸鐵鋰8份，石墨6份，矽灰石粉5份，鈦白粉8份，氨水14份，氫氧化鉀0.7份，碳酸二甲酯50份，硝酸鈉40份，乙醇30份，環己烷10份，丙醇12份，丙酮7份，磷酸銨35份。

作為本發明的一種優選技術方案：所述電池用石墨烯材料的原料按重量份數配比如下：聚苯醚100份，二氧化矽10份，磷酸鐵鋰5份，石墨3份，矽灰石粉2份，鈦白粉5份，氨水11份，氫氧化鉀0.4份，碳酸二甲酯35份，硝酸鈉25份，乙醇15份，環己烷7份，丙醇9份，丙酮4份，磷酸銨20份。

作為本發明的一種優選技術方案：所述電池用石墨烯材料的原料按重量份數配比如下：聚苯醚100份，二氧化矽20份，磷酸鐵鋰7份，石墨5份，矽灰石粉4份，鈦白粉7份，氨水13份，氫氧化鉀0.6份，碳酸二甲酯45份，硝酸鈉35份，乙醇25份，環己烷9份，丙醇11份，丙酮6份，磷酸銨30份。

作為本發明的一種優選技術方案：所述電池用石墨烯材料的原料按重量份數配比如下：聚苯醚100份，二氧化矽15份，磷酸鐵鋰6份，石墨4份，矽灰石粉3份，鈦白粉6份，氨水12份，氫氧化鉀0.5份，碳酸二甲酯40份，硝酸鈉30份，乙醇20份，環己烷8份，丙醇10份，丙酮5份，磷酸銨25份。

一種所述電池用石墨烯材料的製備方法，包括如下步驟：

第一步：按重量份數配比稱取聚苯醚、二氧化矽、磷酸鐵鋰、石墨、矽灰石粉、鈦白粉、氨水、氫氧化鉀、碳酸二甲酯、硝酸鈉、乙醇、環己烷、丙醇、丙酮和磷酸銨；

第二步：將石墨、矽灰石粉和二氧化矽在500-600℃下混合30-50min，然後冷卻至50-90℃，加入剩餘原料在研磨機中研磨40-60分鐘，使其混合均勻；

第三步：將混合均勻的原料置於帶蓋的陶瓷坩堝中，再將帶蓋的陶瓷坩堝放入管式爐中在高純氮氣保護下首先加熱至300-500℃，保溫反應1-3小時，然後進一步加熱至500-700℃，保溫反應2-4小時，製得電池用石墨烯材料。

有益效果：

本發明所述一種電池用石墨烯材料及其製備方法採用以上技術方案和現有技術相比，具有以下技術效果：1、在0.1M KOH溶液中催化氧還原的極限電流密度達到5mA/cm2，起始電位達-0.05V vs. SCE；2、原料價格低廉，操作方便簡單，穩定性好，循環300次，容量600-1000mAh；3、適用領域廣，可用於鋰電池、蓄電池等各個領域；4、電池六分鐘快速充滿，導電性好，不依賴於大型儀器設備，可大規模生產並不斷代替現有材料。

具體實施方式

實施例1:

按重量份數配比稱取聚苯醚100份，二氧化矽5份，磷酸鐵鋰4份，石墨2份，矽灰石粉1份，鈦白粉4份，氨水10份，氫氧化鉀0.3份，碳酸二甲酯30份，硝酸鈉20份，乙醇10份，環己烷6份，丙醇8份，丙酮3份，磷酸銨15份。

將石墨、矽灰石粉和二氧化矽在500℃下混合30min，然後冷卻至50℃，加入剩餘原料在研磨機中研磨40分鐘，使其混合均勻。

將混合均勻的原料置於帶蓋的陶瓷坩堝中，再將帶蓋的陶瓷坩堝放入管式爐中在高純氮氣保護下首先加熱至300℃，保溫反應1小時，然後進一步加熱至500℃，保溫反應2小時，製得電池用石墨烯材料。

在0.1M KOH溶液中催化氧還原的極限電流密度達到5mA/cm2，起始電位達-0.05V vs. SCE；原料價格低廉，操作方便簡單，穩定性好，循環300次，容量600mAh；適用領域廣，可用於鋰電池、蓄電池等各個領域；電池六分鐘快速充滿，導電性好，不依賴於大型儀器設備，可大規模生產並不斷代替現有材料。

實施例2：

按重量份數配比稱取聚苯醚100份，二氧化矽25份，磷酸鐵鋰8份，石墨6份，矽灰石粉5份，鈦白粉8份，氨水14份，氫氧化鉀0.7份，碳酸二甲酯50份，硝酸鈉40份，乙醇30份，環己烷10份，丙醇12份，丙酮7份，磷酸銨35份。

將石墨、矽灰石粉和二氧化矽在600℃下混合50min，然後冷卻至90℃，加入剩餘原料在研磨機中研磨60分鐘，使其混合均勻。

將混合均勻的原料置於帶蓋的陶瓷坩堝中，再將帶蓋的陶瓷坩堝放入管式爐中在高純氮氣保護下首先加熱至500℃，保溫反應3小時，然後進一步加熱至700℃，保溫反應4小時，製得電池用石墨烯材料。

在0.1M KOH溶液中催化氧還原的極限電流密度達到5mA/cm2，起始電位達-0.05V vs. SCE；原料價格低廉，操作方便簡單，穩定性好，循環300次，容量700mAh；適用領域廣，可用於鋰電池、蓄電池等各個領域；電池六分鐘快速充滿，導電性好，不依賴於大型儀器設備，可大規模生產並不斷代替現有材料。

實施例3：

按重量份數配比稱取聚苯醚100份，二氧化矽10份，磷酸鐵鋰5份，石墨3份，矽灰石粉2份，鈦白粉5份，氨水11份，氫氧化鉀0.4份，碳酸二甲酯35份，硝酸鈉25份，乙醇15份，環己烷7份，丙醇9份，丙酮4份，磷酸銨20份。

將石墨、矽灰石粉和二氧化矽在500℃下混合30min，然後冷卻至50℃，加入剩餘原料在研磨機中研磨40分鐘，使其混合均勻。

將混合均勻的原料置於帶蓋的陶瓷坩堝中，再將帶蓋的陶瓷坩堝放入管式爐中在高純氮氣保護下首先加熱至300℃，保溫反應1小時，然後進一步加熱至500℃，保溫反應2小時，製得電池用石墨烯材料。

在0.1M KOH溶液中催化氧還原的極限電流密度達到5mA/cm2，起始電位達-0.05V vs. SCE；原料價格低廉，操作方便簡單，穩定性好，循環300次，容量800mAh；適用領域廣，可用於鋰電池、蓄電池等各個領域；電池六分鐘快速充滿，導電性好，不依賴於大型儀器設備，可大規模生產並不斷代替現有材料。

實施例4：

按重量份數配比稱取聚苯醚100份，二氧化矽20份，磷酸鐵鋰7份，石墨5份，矽灰石粉4份，鈦白粉7份，氨水13份，氫氧化鉀0.6份，碳酸二甲酯45份，硝酸鈉35份，乙醇25份，環己烷9份，丙醇11份，丙酮6份，磷酸銨30份。

將石墨、矽灰石粉和二氧化矽在600℃下混合50min，然後冷卻至90℃，加入剩餘原料在研磨機中研磨60分鐘，使其混合均勻。

將混合均勻的原料置於帶蓋的陶瓷坩堝中，再將帶蓋的陶瓷坩堝放入管式爐中在高純氮氣保護下首先加熱至500℃，保溫反應3小時，然後進一步加熱至700℃，保溫反應4小時，製得電池用石墨烯材料。

在0.1M KOH溶液中催化氧還原的極限電流密度達到5mA/cm2，起始電位達-0.05V vs. SCE；原料價格低廉，操作方便簡單，穩定性好，循環300次，容量900mAh；適用領域廣，可用於鋰電池、蓄電池等各個領域；電池六分鐘快速充滿，導電性好，不依賴於大型儀器設備，可大規模生產並不斷代替現有材料。

實施例5：

按重量份數配比稱取聚苯醚100份，二氧化矽15份，磷酸鐵鋰6份，石墨4份，矽灰石粉3份，鈦白粉6份，氨水12份，氫氧化鉀0.5份，碳酸二甲酯40份，硝酸鈉30份，乙醇20份，環己烷8份，丙醇10份，丙酮5份，磷酸銨25份。

將石墨、矽灰石粉和二氧化矽在550℃下混合40min，然後冷卻至70℃，加入剩餘原料在研磨機中研磨50分鐘，使其混合均勻。

將混合均勻的原料置於帶蓋的陶瓷坩堝中，再將帶蓋的陶瓷坩堝放入管式爐中在高純氮氣保護下首先加熱至400℃，保溫反應2小時，然後進一步加熱至600℃，保溫反應3小時，製得電池用石墨烯材料。

在0.1M KOH溶液中催化氧還原的極限電流密度達到5mA/cm2，起始電位達-0.05V vs. SCE；原料價格低廉，操作方便簡單，穩定性好，循環300次，容量1000mAh；適用領域廣，可用於鋰電池、蓄電池等各個領域；電池六分鐘快速充滿，導電性好，不依賴於大型儀器設備，可大規模生產並不斷代替現有材料。

以上實施例中的所有組分均可以商業購買。

上述實施例只是用於對本發明的內容進行闡述，而不是限制，因此在和本發明的權利要求書相當的含義和範圍內的任何改變，都應該認為是包括在權利要求書的範圍內。