一种3D石墨烯及其制备方法技术

一种3D石墨烯及其制备方法，属于锂离子电池负极材料技术领域，克服了石墨烯机械强度较差的缺陷。本发明专利技术3D石墨烯为纳米棒组成的网络结构；所述纳米棒直径为100～400nm；所述纳米棒上形成有介孔；所述网络结构具有直径为3～6μm的孔。本发明专利技术提供的3D石墨烯具有多级孔结构，可提高3D石墨烯的抗压强度，弹性良好，抗压强度大，且多级孔结构可以帮助暴露出更多的活性位点，有利于与锂离子的相互作用。有利于与锂离子的相互作用。有利于与锂离子的相互作用。

【技术实现步骤摘要】
一种3D石墨烯及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池负极材料
，具体涉及一种3D石墨烯及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳是电化学储能设备中最常用的材料，在商用锂离子电池(LIB)中，锂离子嵌入的石墨做为阳极材料，而阴极则包含炭黑等以改善材料的导电性。碳材料在研究中也得到了广泛的探索，无论是作为高性能电极本身还是与其他电极材料结合形成复合电极，例如LiFePO4/C正极。
[0003]石墨烯是近年来新兴起的一种功能材料，研究表明原始和杂原子掺杂的石墨烯材料具有比商业化石墨负极更高的容量。与块状石墨相比，少层石墨烯可以具有更高的容量，例如：Lian等人利用Hummer方法将石墨剥离成石墨烯片，用于形成LIB阳极，该材料在100mAg
‑1的电流密度下循环40次后电池容量为848mAh g
‑1，明显高于石墨负极的375mAh g
‑1。
[0004]但现有的石墨烯及杂原子掺杂的石墨烯机械强度较差，难以承受压缩，阻碍了其实际应用。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服石墨烯机械强度较差的缺陷，从而提供一种3D石墨烯及其制备方法。
[0006]为此，本专利技术提供了以下技术方案。
[0007]第一方面，本专利技术公开了一种3D石墨烯，所述3D石墨烯为纳米棒组成的网络结构；
[0008]所述纳米棒直径为100～400nm；所述纳米棒上形成有介孔；
[0009]所述网络结构具有直径为3～6μm的孔。
[0010]本专利技术中网络结构的孔为连续孔隙，骨架交错连接，SEM图像中可以看出孔与孔之间是连续的。
[0011]在一种可能的设计中，所述网络结构具有直径为3～5μm的孔，且所述纳米棒上形成有直径1～7nm的介孔；
[0012]可选地，所述3D石墨烯的比表面积为800～1200m
2 g
‑1。
[0013]在一种可能的设计中，所述3D石墨烯为N掺杂3D石墨烯，所述网络结构具有直径为4～6μm的孔，且所述纳米棒上形成有直径2～6nm的介孔；
[0014]可选地，N的掺杂量为3wt％～5wt％；
[0015]可选地，所述N掺杂3D石墨烯的比表面积为500～800m
2 g
‑1。
[0016]在一种可能的设计中，所述3D石墨烯为B
‑
N掺杂3D石墨烯，所述网络结构具有直径为4～6μm的孔，所述纳米棒上形成有直径为2～6nm的介孔；
[0017]可选地，所述纳米棒表面还形成有直径为10～30nm的介孔；
[0018]可选地，N的掺杂量为1wt％～2wt％，B的掺杂量为0.3～0.6wt％；
[0019]可选地，B
‑
N掺杂3D石墨烯的比表面积为450～600m
2 g
‑1。
[0020]第二方面，本专利技术提供了一种上述的3D石墨烯的制备方法，包括：在介孔二氧化硅上生长石墨烯，然后去除介孔二氧化硅。
[0021]进一步的，在介孔二氧化硅上生长石墨烯包括：
[0022]步骤1、使用流速分别为280～320sccm和40～60sccm的Ar和H2冲洗内部装有介孔二氧化硅的管式炉10～30min；
[0023]步骤2、将管式炉升温至750～850℃，并保温30min；所述升温和保温过程中以10～30sccm的流速持续通入碳源，使用气相沉积技术来生长石墨烯；然后将管式炉升温至1050～1150℃下，保温40～80min，最后停止通入碳源。
[0024]进一步的，所述碳源为CH4、C2H6或C3H8中的至少一种，优选地，通入碳源的流速为15～25sccm。
[0025]在一种可能的设计中，所述3D石墨烯为N掺杂3D石墨烯，在介孔二氧化硅上生长石墨烯包括：
[0026]步骤1
’
、在室温下，采用Ar以80～120sccm的流速携带碳源和氮源冲洗内部装有介孔二氧化硅的管式炉10～30min；
[0027]步骤2
’
、在80min内将管式炉升温至1050～1150℃，升温过程中持续以步骤1
’
中的流速通入携带碳源和氮源的Ar，升温至1050～1150℃后保温10～30min，最后停止通入上述气体。
[0028]可选的，所述3D石墨烯为N掺杂3D石墨烯，在介孔二氧化硅上生长石墨烯时，步骤1中碳源为含N的液态碳源，例如丙酮腈，氮源示例性的为N，N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)。使用含N的碳源是为了在生成石墨烯的同时原位引入N原子，实现原位N掺杂；而N，N
‑
二甲基甲酰胺作为另一种N源，可以帮助调节N掺杂3D石墨烯中的N类型。
[0029]在一种可能的设计中，所述3D石墨烯为B
‑
N掺杂3D石墨烯，在介孔二氧化硅上生长石墨烯包括：
[0030]步骤1”、在室温下，采用Ar以80～120sccm的流速携带碳源、氮源和硼源冲洗内部装有介孔二氧化硅的管式炉10～30min；
[0031]步骤2”、在80min内将管式炉升温至1050～1150℃，升温过程中持续以步骤1”中的流速通入携带碳源、氮源和硼源的Ar气，升温至1050～1150℃后保温10～30min，最后停止通入上述气体。
[0032]进一步的，所述介孔二氧化硅的制备方法包括：
[0033](1)将表面活性剂、水和酸混合，加入硅源，搅拌得到溶胶；
[0034]可选地，酸为HCl、H2SO4或H3PO4中的至少一种；
[0035](2)将溶胶转移至高压釜中，将所述高压釜加热至120～150℃进行水热反应，反应24～48小时；
[0036](3)干燥、煅烧制得介孔二氧化硅。
[0037]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0038]1.本专利技术提供的3D石墨烯为纳米棒组成的网络结构；所述纳米棒直径为100～400nm；所述纳米棒上形成有介孔；所述网络结构具有直径为3～6μm的孔。
[0039]本专利技术提供的3D石墨烯具有多级孔结构，不仅有网络结构中大量的连续孔隙，还有纳米棒的介孔，可提高3D石墨烯的抗压强度，在一定压力下，3D石墨烯会被压缩，而卸载压力后，3D石墨烯还能恢复到原形状，弹性良好，抗压强度大。且多级孔结构可以帮助暴露出更多的活性位点，有利于与锂离子的相互作用。
[0040]2.本专利技术提供的3D石墨烯为N掺杂3D石墨烯，所述网络结构具有直径为4～6μm的连续孔隙，且所述纳米棒上形成有直径2～6nm的孔；N的掺杂量为3wt％～5wt％。B
‑
N掺杂3D石墨烯同时具备高容量、高倍率性能、循环稳定性和超高弹性。
[0041]3.本专利技术提供的3D石墨烯制备时采用化学气相沉积法能够很好地解决物料分散不均的问题(气固反应，接触更充分)，因此制得的产物的均一性更好。
附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D石墨烯，其特征在于，所述3D石墨烯为纳米棒组成的网络结构；所述纳米棒直径为100～400nm；所述纳米棒上形成有介孔；所述网络结构具有直径为3～6μm的孔。2.根据权利要求1所述的3D石墨烯，其特征在于，所述网络结构具有直径为3～5μm的孔，且所述纳米棒上形成有直径1～7nm的介孔；可选地，所述3D石墨烯的比表面积为800～1200m
2 g
‑1。3.根据权利要求1所述的3D石墨烯，其特征在于，所述3D石墨烯为N掺杂3D石墨烯，所述网络结构具有直径为4～6μm的孔，且所述纳米棒上形成有直径2～6nm的介孔；可选地，N的掺杂量为3wt％～5wt％；可选地，所述N掺杂3D石墨烯的比表面积为500～800m
2 g
‑1。4.根据权利要求1所述的3D石墨烯，其特征在于，所述3D石墨烯为B
‑
N掺杂3D石墨烯，所述网络结构具有直径为4～6μm的孔，所述纳米棒上形成有直径为2～6nm的介孔；可选地，N的掺杂量为1wt％～2wt％，B的掺杂量为0.3～0.6wt％；可选地，B
‑
N掺杂3D石墨烯的比表面积为450～600m
2 g
‑1。5.一种权利要求1
‑
4任一项所述的3D石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：在介孔二氧化硅上生长石墨烯，然后去除介孔二氧化硅。6.根据权利要求5所述的3D石墨烯的制备方法，其特征在于，在介孔二氧化硅上生长石墨烯包括：步骤1、使用流速分别为280～320sccm和40～60sccm的Ar和H2冲洗内部装有介孔二氧化硅的管式炉10～30min；步骤2、将管式炉升温至750～850℃，并保温30min；所述升温和保温过程中以10～30sccm的流速持续通入碳源，使用气相沉积技术来生长石墨烯；然后将管式...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘静，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技马鞍山有限公司，
类型：发明
国别省市：