一種含磁性空心半球的石墨烯複合材料的製備方法與流程
2023-12-03 08:03:56 1
本發明涉及新能源技術領域，尤其涉及一種含磁性空心半球的石墨烯複合材料的製備方法。
背景技術：
鋰離子電池作為一種新型的儲能設備，已經在可攜式電子產品上面得到廣泛的應用。隨著電動汽車和柔性電子等領域的發展，對鋰離子電池提出了更高的要求，包括更高的功率密度、更高的輸出電壓、更高的工作溫度和更好的安全性能、以及具備更好的力學性能和柔韌性。
對於高性能鋰離子電池而言，電極活性材料的改進和革新是提高其綜合性能的核心和關鍵。在鋰離子電池負極材料方面，商業化的石墨負極理論比容量低(372mAh/g)，不能滿足新一代高性能鋰離子電池的要求，研發其可替代材料是一種較好的選擇，過渡金屬氧化物負極和矽負極材料就有更高的比容量，是很有發展前景的負極材料，然而因其在循環過程中的體積膨脹效應，進而導致容量衰減過快的缺陷，是限制其應用的主要瓶頸。
石墨烯作為一種新型的二維材料，具有極強的導電性和極好的力學強度，可以作為過渡金屬氧化物負極和矽負極的載體，抑制其充放電過程中體積效應，達到改善其性能的目的。
技術實現要素：
本發明的目的在於提出一種含磁性空心半球的石墨烯複合材料的製備方法，以獲得具備較高的比容量，良好的循環穩定性以及倍率性能的複合材料。
為達此目的，本發明採用以下技術方案：
一種含磁性空心半球的石墨烯複合材料的製備方法，包括：
(1)在冰浴條件下，機械攪拌條件下，在98％濃硫酸中加入鱗片石墨粉，再加入佔石墨粉50-80wt％的硝酸鈉，和佔石墨粉2-4倍重量的高錳酸鉀，冰浴下反應30-120min；
(2)加熱至30-40℃恆溫4-5h，加入去離子水和雙氧水，攪拌1-3h，加入5％濃度的HCl離心洗滌直至無硫酸根離子，得到氧化石墨固體；
(3)將洗滌產物並超聲分布散於乙二醇中，接著加入EO20PO70EO20，超聲分散直至均勻分散，得到黑色溶液；
(4)加入FeCl3·6H2O混合均勻，再加入NaAc·3H2O和無水乙二胺攪拌均勻；
(5)並在不鏽鋼反應釜的聚四氟乙烯內襯中，180-210℃下恆溫反應3-18小時，冷卻至室溫；
(6)磁性分離產物並洗滌，真空乾燥得到Fe3O4空心半球/還原氧化石墨烯複合材料。
本發明的方法對於現有技術的貢獻在於工藝路線的提出，對於工藝條件的優化，比如各物質含量及比例，本領域技術人員可以根據現有技術和具體工藝要求或效果進行確定，本發明不再就其優化和贅述。
還原氧化石墨烯(RGO)的質量比較輕，電導率也比較高，同時其表面帶有羥基、羧基、羰基和環氧基等含氧基團，可以產生缺陷極化等現象，因此有利於電磁波的吸收和衰減。將Fe3O4空心球與還原氧化石墨烯複合後，使得複合材料兼具介電損耗和磁損耗，有利於實現阻抗匹配。另外導電碳材料的反射損耗位於低頻範圍(8～12GHz)，而Fe3O4納米材料的反射損耗一般發生於較高的頻率範圍，因此兩種材料的複合還有利於吸波頻帶的拓寬。結果表明，在2-18GHz頻率範圍內，當Fe3O4空心半球/r-GO複合材料的質量分數為30％，厚度為2.0mm時，複合材料在頻率為12.9GHz具有最大的反射損耗值為24dB，反射損耗值在-10dB以下的吸波寬度達到了4.9GHz，吸波頻率範圍為10.8-15.7GHz。相比於純r-GO、Fe3O4空心球和實心Fe3O4/r-GO複合材料，Fe3O4空心半球/r-GO複合材料不僅增加了微波吸收損耗，而且也拓寬了有效吸收頻帶。
本發明複合材料的首次放電容量為2058mAh/g，首次不可逆容量的損失率為4％，100次充放電循環後的容量為1940mAh/g，相對於第二次的放電比容量，容置保持率為94％。結果表明相對於Fe3O4納米顆粒及空心球、Fe3O4納米顆粒/r-GO複合材料，Fe3O4空心半球/r-GO複合材料表現出了較高的比容量，良好的循環穩定性以及倍率性能。
具體實施方式
下面通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。
實施例1
一種含磁性空心半球的石墨烯複合材料的製備方法，包括：
(1)在冰浴條件下，機械攪拌條件下，在98％濃硫酸中加入鱗片石墨粉，再加入佔石墨粉50wt％的硝酸鈉，和佔石墨粉2倍重量的高錳酸鉀，冰浴下反應30min；
(2)加熱至30℃恆溫4h，加入去離子水和雙氧水，攪拌1h，加入5％濃度的HCl離心洗滌直至無硫酸根離子，得到氧化石墨固體；
(3)將洗滌產物並超聲分布散於乙二醇中，接著加入EO20PO70EO20，超聲分散直至均勻分散，得到黑色溶液；
(4)加入FeCl3·6H2O混合均勻，再加入NaAc·3H2O和無水乙二胺攪拌均勻；
(5)並在不鏽鋼反應釜的聚四氟乙烯內襯中，180℃下恆溫反應3小時，冷卻至室溫；
(6)磁性分離產物並洗滌，真空乾燥得到Fe3O4空心半球/還原氧化石墨烯複合材料。
實施例2
一種含磁性空心半球的石墨烯複合材料的製備方法，包括：
(1)在冰浴條件下，機械攪拌條件下，在98％濃硫酸中加入鱗片石墨粉，再加入佔石墨粉80wt％的硝酸鈉，和佔石墨粉4倍重量的高錳酸鉀，冰浴下反應120min；
(2)加熱至40℃恆溫5h，加入去離子水和雙氧水，攪拌3h，加入5％濃度的HCl離心洗滌直至無硫酸根離子，得到氧化石墨固體；
(3)將洗滌產物並超聲分布散於乙二醇中，接著加入EO20PO70EO20，超聲分散直至均勻分散，得到黑色溶液；
(4)加入FeCl3·6H2O混合均勻，再加入NaAc·3H2O和無水乙二胺攪拌均勻；
(5)並在不鏽鋼反應釜的聚四氟乙烯內襯中，210℃下恆溫反應18小時，冷卻至室溫；
(6)磁性分離產物並洗滌，真空乾燥得到Fe3O4空心半球/還原氧化石墨烯複合材料。
實施例3
一種含磁性空心半球的石墨烯複合材料的製備方法，包括：
(1)在冰浴條件下，機械攪拌條件下，在98％濃硫酸中加入鱗片石墨粉，再加入佔石墨粉70wt％的硝酸鈉，和佔石墨粉3倍重量的高錳酸鉀，冰浴下反應60min；
(2)加熱至35℃恆溫4h，加入去離子水和雙氧水，攪拌2h，加入5％濃度的HCl離心洗滌直至無硫酸根離子，得到氧化石墨固體；
(3)將洗滌產物並超聲分布散於乙二醇中，接著加入EO20PO70EO20，超聲分散直至均勻分散，得到黑色溶液；
(4)加入FeCl3·6H2O混合均勻，再加入NaAc·3H2O和無水乙二胺攪拌均勻；
(5)並在不鏽鋼反應釜的聚四氟乙烯內襯中，200℃下恆溫反應6小時，冷卻至室溫；
(6)磁性分離產物並洗滌，真空乾燥得到Fe3O4空心半球/還原氧化石墨烯複合材料。