一种石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法技术

一种石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法，本发明专利技术涉及磷酸钒锂复合材料的制备方法，本发明专利技术是要解决现有的Li

Preparation of graphene supported carbon coated lithium vanadium phosphate composite

The invention relates to a preparation method of graphene supported carbon coated lithium vanadium phosphate composite, which aims to solve the existing Li

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法
本专利技术涉及磷酸钒锂复合材料的制备方法，它属于超级电容器锂离子电池正极材料领域。
技术介绍
锂离子电池因具有高能量密度、高工作电压及绿色环保等优点，被普遍认为是最有应用前景的二次电池。锂离子电池包括电解液、正极和负极两个电极，中间被隔膜隔开。锂离子电池的性能受多方面的影响，其中作为锂离子电池心脏的正负极活性材料是制约锂离子电池整体性能的根本。由于目前开发的正极材料的比容量都要低于负极材料的比容量，因此正极材料的研发是锂离子电池比容量提升的关键。锂离子正极材料要求有高的氧化还原电位、高的理论容量、结构稳定、电子电导率高、热稳定性好等特点。目前被广泛应用的正极材料是Li3V2(PO4)3，该材料具有三维的锂离子扩散通道，适合大电流充放电；在三个锂离子可逆嵌入脱出的条件下，理论容量是所有磷酸盐材料中最高的，同时它还具有较好的安全性能。这些使Li3V2(PO4)3材料成为一种极具潜力的锂离子电池正极材料。但是磷酸根由于其低导电性同样会孤立晶格中过渡金属钒的电子使材料的导电性下降。低的电子电导率和离子扩散率使磷酸钒锂动力学上充放电很慢，导致容量利用率很低，倍率性能差。因此所以改善电子电导率和离子扩散率是Li3V2(PO4)3研究的关键。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的Li3V2(PO4)3材料的容量利用率低、倍率性能差的技术问题，而提供一种石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法。本专利技术的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法，按以下步骤进行：一、以膨胀石墨为原料，采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯；二、采用溶胶凝胶法制备的碳包覆磷酸钒锂前驱体；三、采用微波消解法制备石墨烯/碳包覆磷酸钒锂前驱体；四、在氮气保护下预烧、焙烧，得到石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂材料。本专利技术的方法制备的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料中，磷酸钒锂的晶体结构和菱方相类似，但是更紧密；石墨烯具有较高的电子传导性，较大的比表面积以及较高的理论储锂容量，优异的导电和导热性能，良好的机械强度和化学稳定性，通过微波消解法将碳包覆的磷酸钒锂负载到石墨烯上，石墨烯不仅能够为磷酸钒锂晶体提供立体导电网络，在提升表面的电子导电能力的同时提升晶体之间的导电能力，碳包覆磷酸钒锂还能够均匀负载到石墨烯上，抑制粉化团聚的现象产生，提高了复合材料的倍率性能。该石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料在3.0～4.3V电压范围、0.5C倍率条件下，其首次放电比容量为130mAh·g-1，0.5C倍率条件下循环100周时，比容量保持率为99.5％，容量利用率高，可用作锂离子正极材料。附图说明图1是实施例得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G0、G3、G7、G13和G23的X射线衍射谱图；图2是实施例1得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G7的放大10000倍的扫描电镜照片；图3是实施例1得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G7的放大20000倍的扫描电镜照片；图4是实施例1得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G7的15000倍的透射电镜照片；图5是实施例1得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G7的40000倍的透射电镜照片；图6是实施例1得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G7的高分辨透射电镜图；图7是实施例1得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G7的高分辨透射电镜图；图8是实施例1得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G0、G3、G7、G13和G23在电压3.0～4.3V、0.5C的条件下的首次充放电曲线；图9是实施例1得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G0、G3、G7、G13和G23的循环伏安曲线图；图10是实施例1得到的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料G7在不同倍率测试条件下放电曲线图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法，按以下步骤进行：一、以膨胀石墨为原料，采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯；二、采用溶胶凝胶法制备的碳包覆磷酸钒锂前驱体；三、采用微波消解法制备石墨烯/碳包覆磷酸钒锂前驱体；四、在氮气保护下预烧、焙烧，得到石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂材料。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一的采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯的具体方法是：将质量百分浓度为98％的H2SO4与膨胀石墨混合，将其置于冰水浴中，搅拌均匀后加入KMnO4，在冰水浴中机械搅拌；待反应平稳后，将其移入到35℃的水浴中反应，再加入去离子水，在98℃下磁力搅拌反应30min；再加入质量百分浓度为30％的H2O2，磁力搅拌反应5min，再用质量百分浓度为10％的盐酸洗涤至BaCl2溶液无法检测出SO42-为止，再用去离子水离心水洗至pH值为5～7；用高速离心机以12000rpm的转速离心洗涤，收集得到的沉淀物，在40℃条件下干燥，得到氧化石墨烯；其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二的所述的采用溶胶凝胶法制备碳包覆磷酸钒锂前驱体，其具体步骤如下：将氢氧化锂、偏钒酸铵、磷酸、柠檬酸按照物质的量比为3.1：2.0：3.0：2.0的比例混合，在温度为80℃的条件下磁力搅拌，直至生成凝胶；将凝胶冷却至室温后，干燥、磨碎，得到碳包覆磷酸钒锂前驱体；其它与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三所述的采用微波消解法制备石墨烯/碳包覆磷酸钒锂前驱体，其具体步骤如下：按氧化石墨烯质量分数为0.3％～23％将氧化石墨烯与碳包覆磷酸钒锂前驱体混合，然后加入水中，超声分散，然后进行微波消解，干燥，得到石墨烯/碳包覆磷酸钒锂前驱体；其它与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤四中所述的预烧是指在350～400℃的条件下烧4～5h；其它与具体实施方式一至四之一相同。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤四中所述的焙烧，焙烧在800～900℃的条件下烧8～10h；其它与具体实施方式一至五之一相同。用下面的实施例验证本专利技术的有益效果：实施例1：本实施例的石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法，按以下步骤进行：一、以膨胀石墨为原料，采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯，具体方法是：120mL质量百分浓度为98％的H2SO4与2.5g膨胀石墨结合，将其置于冰水浴中，搅拌均匀后加入7.5克KMnO4，在冰水浴中机械搅拌；待反应平稳后，将其移入到35℃的水浴中反应，再加入230mL去离子水，在98℃下磁力搅拌反应30min；再加入30mL质量百分浓度为30％的H2O2，磁力搅拌反应5min，再用质量百分浓度为10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：/n一、以膨胀石墨为原料，采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯；/n二、采用溶胶凝胶法制备的碳包覆磷酸钒锂前驱体；/n三、采用微波消解法制备石墨烯/碳包覆磷酸钒锂前驱体；/n四、在氮气保护下预烧、焙烧，得到石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、以膨胀石墨为原料，采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯；
二、采用溶胶凝胶法制备的碳包覆磷酸钒锂前驱体；
三、采用微波消解法制备石墨烯/碳包覆磷酸钒锂前驱体；
四、在氮气保护下预烧、焙烧，得到石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂材料。


2.根据权利要求1所述的一种石墨烯负载碳包覆磷酸钒锂复合材料的制备方法，其特征在于步骤一的采用改性的Hummers法制备氧化石墨烯的具体方法是：将质量百分浓度为98％的H2SO4与膨胀石墨混合，将其置于冰水浴中，搅拌均匀后加入KMnO4，在冰水浴中机械搅拌；待反应平稳后，将其移入到35℃的水浴中反应，再加入去离子水，在98℃下磁力搅拌反应30min；再加入质量百分浓度为30％的H2O2，磁力搅拌反应5min，再用质量百分浓度为10％的盐酸洗涤至BaCl2溶液无法检测出SO42-为止，再用去离子水离心水洗至pH值为5～7；用高速离心机以12000rpm的转速离心洗涤，收集得到的沉淀物，在40℃条件下干燥，得到氧化石墨烯。


3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，何冬青，张伟君，刘洪成，阚侃，王珏，于倩，
申请(专利权)人：黑龙江省科学院高技术研究院，
类型：发明
国别省市：黑龙;23