石墨烯/氮化铬纳米复合材料及其制备方法技术

石墨烯/氮化铬纳米复合材料及其制备方法，它属于电化学领域。本发明专利技术要解决采用磁控溅射的方法制备CrN薄膜的工艺过程比较难控制，且设备成本高的技术问题。本发明专利技术所述复合材料由石墨烯和氮化铬组成。制备方法是按下述步骤进行的：一、按称量天然石墨和硝酸铬尿素配合物；二、制备石墨烯悬浮液；三、配制硝酸铬尿素配合物水溶液，加到步骤二得到的石墨烯悬浮液中，继续搅拌，得到均匀的分散液；四、制石墨烯/Cr2O3复合材料；五、将石墨烯/Cr2O3复合材料放入气氛炉中，通入氮气，升温后保温，然后在氮气保护下降温到室温，得到石墨烯/氮化铬纳米复合材料。用作锂离子电池负极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电化学领域；具体涉及。
技术介绍
锂离子电池是继镉镍电池、镍氢电池之后的第三代小型蓄电池。作为一种新型的化学电源，它具有工作电压高、能量密度大、放电电位曲线平稳、自放电率低、循环寿命长、 低温性能好、无记忆、无污染等突出优点。自1992年日本Sony公司商业化开始便迅速发展，已经逐渐由手机、笔记本电脑、数码相机、便携式小型用电器所用电池，及潜艇、航天、航空领域所用电池，逐步走向电动汽车领域。储能电池作为交通工具的主要动力源之一已经成为未来发展趋势，锂离子电池被认为是高容量、大功率电池的理想之选。目前研究的锂离子电池负极材料有石墨化碳材料、无定形碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金、纳米氧化物和其它新型材料。碳材料是研究的最多，也是直接推动锂离子电池商品化的负极材料，包括石墨、乙炔黑、中间相碳微球(MCMB)、碳纤维和石油焦等。石墨作为石墨烯组成的最基本碳材料，具有良好的充放电性能，理论容量为372mAh/ g，自20世纪90年代Sony公司将锂离子电池商业化以来，石墨一直作为可靠的负极材料被广泛使用，但是石墨材料相对低的理论容量，较长的锂离子扩散距离，造成较低的容量和较差的循环性能。以石墨取代金属锂解决了由于形成锂枝晶而引起的安全问题，实现了可逆充放电。然而，在锂离子电池中用碳材料取代金属锂，却大大地降低了电池的能量密度， 这是因为金属锂的容量为3860mAh/g，是石墨理论容量10余倍。新型的碳纳米管有很好的储锂能力，其充、放电容量分别为351mAh/g和681mAh/g，且电极循环稳定性好。然而，碳纳米管改性石墨电极材料的最大缺点是其首次不可逆容量高，这主要是由其管状结构和多层结构在锂离子嵌入和脱嵌过程中的不对称性引起的。石墨烯除了具有与碳纳米管相似甚至更优秀的性质，比如更大的比表面积、更高的电子迁移率、较小的质量密度、高的热稳定性和化学惰性外，其单层的分子结构，使得嵌入在其表面的锂离子在脱嵌时少了很多限制，即锂离子在嵌入和脱嵌时的对称性增强，大大地减小了其改性电极材料的首次不可逆容量，提高了首次库仑效率和锂离子的利用率。如果锂在石墨烯片的两侧嵌入，单层石墨烯的理论容量可达至Ij 744mAh/g，石墨烯较高的嵌锂容量已经被实验证明，然而，石墨烯在充、放电过程中总是自然地发生多层重叠，造成石墨烯表面积和本征的物理-化学性质衰减，限制了石墨烯在锂离子电池负极中的应用。为了防止石墨烯在充放电循环过程中的重叠，目前广泛采用金属(如Au和Pt) 或者金属氧化物(如TiO2和SnO2)的纳米颗粒作为隔离层，通过机械混合或者原位生长的方法制备石墨烯与纳米金属或氧化物的复合材料，以改善石墨烯负极的循环性能，并提高负极的比容量。其中，石墨烯/Sr^2复合材料取得了较好的性能，在50mA/g的电流下放电，经 30 次循环，比容量保持在 570mAh/g，仍然较难满足人们日益增长的对大容量、高倍率性能的动力型锂离子电池负极的实际要求。Cr的氧化物Cr2O3具有较高的理论容量(1058mAh/g)和较低的放电电位(0. 2V) (Jordi Cabana, Laure Monconduit, Dominique Larcher, Μ. Rose Palaciη, MaterialsViews,22(2010) :E170 E192.)，但是在充放电过程中，由于Cr2O3的不可逆转换，当充电电压达到3V时，形成了 CrO相，导致电极的库仑效率非常低，循环性能差， 所以Cr2O3粉体几乎没有用作锂离子电池负极的。(L.Dupont，S. LaruelIe，S. Gurgeon， J. M. Tarascon, J. Power Sources 164(2007) :839 843.)CrN由于具有接近金属锂的低、平的嵌锂电位，高的可逆容量和良好的容量保持率，而成为一种很有希望的锂离子电池负极材料。目前报道的CrN负极的制备方法是采用磁控溅射的方法制备CrN薄膜，工艺过程比较难控制，且设备成本高，限制了 CrN在锂离子电池中的实际应用。
技术实现思路
本专利技术要解决采用磁控溅射的方法制备CrN薄膜的工艺过程比较难控制，且设备成本高的技术问题。本专利技术石墨烯/氮化铬纳米复合材料按质量百分比由10% 90%石墨烯和 10% 90%的氮化铬组成。本专利技术石墨烯/氮化铬纳米复合材料的制备方法是按下述步骤进行的一、按质量百分比由10% 90%石墨烯和10% 90%的氮化铬组成分别称量天然石墨和硝酸铬尿素配合物；二、将步骤一称取的天然石墨放入N-甲基-2-吡咯烷酮中，在超声频率为 19. 5 20. 5kHz，超声功率1800W条件下超声分散进行剥层处理0. 5 5h，再在超声频率为40kHz、超声功率为150W条件下超声分散0. 2 10h，然后在300 900r/min的转速下离心0. 5 证，移出离心液上层黑色的分散液，然后配制浓度为0. 2 5mg/mL的石墨烯悬浮液；三、将步骤一称取的硝酸铬尿素配合物与水配制成浓度为0. 5 3mol/L硝酸铬尿素配合物水溶液，然后搅拌条件下将硝酸铬尿素配合物水溶液加到步骤二得到的石墨烯悬浮液中，继续搅拌0. 5 证，得到均勻的分散液；四、将步骤三制备的分散液在80 300°C的真空干燥箱中放置5 30h，得到石墨烯/Cr2O3复合材料；五、将步骤四制备的石墨烯/Cr2O3 复合材料放入气氛炉中，通入氮气，氮气的流量为0. 5 50mL/min，升温至300 900°C，保温1 Mh，然后在氮气保护下降温到室温，得到石墨烯/氮化铬纳米复合材料。上述方法的步骤四还可以按下述步骤进行将步骤三制备的分散液放入水热反应釜中，在100 300°C反应1 Mh，然后经水洗、醇洗，在50 90°C条件下干燥，得到石墨烯/Cr2O3复合材料。本专利技术的石墨烯/CrN复合材料用于锂离子电池负极，其容量达1000 ISOOmAh/ go本专利技术具有制备设备简单，工艺过程容易控制，制备的石墨烯/CrN复合材料用作锂离子电池负极具有比容量高，大电流放电性能好，容量保持率高的优点。CrN与锂的反应类似于金属纳米颗粒与锂的反应，可以完全可逆地分解和形成，具有良好的容量保持率，同时，CrN 的电导率(> 102S/cm)远大 Sn02(8X l(T6S/cm)和 Cr2O3 (1. 78X l(T7S/cm)等金属氧化物隔离物，因而，通过CrN与石墨烯复合，充分发挥了石墨烯和CrN的协同作用，复合材料表现出良好的电子导电率和离子导电率，以及优异的微观结构稳定性。附图说明图1是具体实施方式十九制备的石墨烯/氮化铬纳米复合材料的扫描电镜照片； 图2是具体实施方式十九制备的石墨烯/氮化铬纳米复合材料的首次充放电曲线图；1表示放电，2表示充电；图3是具体实施方式十九制备的石墨烯/氮化铬纳米复合材料的循环稳定性曲线图；图中■表示充电，〇表示放电。具体实施例方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一本实施方式中石墨烯/氮化铬纳米复合材料按质量百分比由 10% 90%石墨烯和10% 90%的氮化铬组成。具体实施方式二 本实施方式与具体实施方式一不同的是本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．石墨烯／氮化铬纳米复合材料，其特征在于石墨烯／氮化铬纳米复合材料按质量百分比由１０％～９０％石墨烯和１０％～９０％的氮化铬组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：付长璟，赵国刚，陈晶，
申请(专利权)人：黑龙江科技学院，
类型：发明
国别省市：93