本發(fā)明涉及電化學(xué)新能源領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電容器與鋰離子電池相比，電容活性材料的使用一方面會(huì)降低體系的比能量密度，但另一方面使鋰離子電容器實(shí)現(xiàn)快速充放電，因而具有更高的比功率密度。與超級(jí)電容器相比，鋰離子電容器中鋰離子與電池材料體相發(fā)生的法拉第氧化還原反應(yīng)較慢，會(huì)使其功率密度稍有降低，但同時(shí)會(huì)提供更高的存儲(chǔ)容量。迎合了社會(huì)發(fā)展對(duì)儲(chǔ)能器件快速充電、大功率、持久續(xù)航、安全穩(wěn)定的需求，有望在新能源汽車、太陽(yáng)能、風(fēng)能等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2、鋰離子電容器兩極儲(chǔ)能機(jī)制不同，存在儲(chǔ)能速率差異，常通過(guò)電極材料種類和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)控離子存儲(chǔ)機(jī)制，以達(dá)到促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移、離子擴(kuò)散和提升負(fù)極儲(chǔ)鋰速率的目的。石墨烯具有高電導(dǎo)率、高穩(wěn)定性和可控結(jié)構(gòu)，但多孔石墨烯負(fù)極材料存在易堆疊、首次庫(kù)侖效率低以及sei膜厚等不足?？梢酝ㄟ^(guò)石墨烯與金屬化合物復(fù)合，以滿足對(duì)電化學(xué)性能的要求。金屬氧化物(如fe2o3、fe3o4、nio、mno、moo2、ruo2、nb2o5)具有高理論容量、低成本和來(lái)源廣泛特性，但也存在電導(dǎo)率差、循環(huán)過(guò)程中結(jié)構(gòu)退化等缺點(diǎn)。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、細(xì)化晶粒尺寸以及在石墨烯表面修飾金屬氧化物制備復(fù)合材料的方法有望實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)協(xié)同提升二者的儲(chǔ)鋰速率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對(duì)以上技術(shù)不足，基于石墨烯優(yōu)異的熱導(dǎo)率，提出了基于火焰的高溫?zé)醾鲗?dǎo)式加熱，瞬態(tài)完成金屬氧化物在石墨烯片層上均勻的原位生長(zhǎng)，氧化石墨烯在此過(guò)程中被還原，在片層上留下多孔結(jié)構(gòu)，還原后的石墨烯在π-π堆積作用下趨于堆疊對(duì)金屬氧化物起到一個(gè)空間限域的作用。

2、一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料的制備方法，包括以下步驟：

3、將金屬元素前驅(qū)體充分溶于溶劑中后，加入氧化石墨烯懸浮液攪拌，得到混合懸浮液，冷凍干燥后制得懸浮液粉末；將懸浮液粉末經(jīng)過(guò)外焰按一定掃速瞬態(tài)處理后，洗滌后，進(jìn)行二次干燥處理，得到石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料。

4、進(jìn)一步地，所述金屬元素前驅(qū)體中的金屬元素為釩、鐵、鈷、鎳、鈮中的任一種或多種。

5、進(jìn)一步地，以質(zhì)量比為計(jì)，金屬元素前驅(qū)體：氧化石墨烯＝0.2～10：1，氧化石墨烯懸浮液為改性hummer法制備得到，氧化石墨烯懸浮液的固含量為1～20mg/ml，攪拌處理的時(shí)間條件為6～24h，溫度條件為25～100℃。

6、進(jìn)一步地，混合懸浮液的冷凍干燥處理采用液氮淬冷法。

7、進(jìn)一步地，外焰的溫度為600～2000℃，外焰與懸浮液粉末的相對(duì)掃速為0.1～1m/s。

8、進(jìn)一步地，二次干燥處理為凍干或烘干。

9、上述制備方法得到的石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料。

10、上述石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料作為鋰離子電容器負(fù)極材料的應(yīng)用。

11、本發(fā)明包括以下有益效果：

12、(1)采用本發(fā)明所述制備方法得到的復(fù)合電極材料，石墨烯與納米金屬氧化物的耦合性極高，金屬氧化物粒子均生長(zhǎng)于石墨烯片層之上，抑制單層氧化石墨烯還原后變多層石墨烯的致密堆積，增大其層間距。石墨烯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的成功構(gòu)筑和片層上納米化的金屬氧化物促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移和離子擴(kuò)散。基于火焰輔助熱傳導(dǎo)效應(yīng)可以瞬時(shí)完成氧化石墨烯的還原及其片層上錨定的金屬氧化物原位成核生長(zhǎng)。對(duì)于雙金屬元素或多元金屬元素，火焰輔助熱傳導(dǎo)效應(yīng)有望使其形成雙金屬氧化物或高熵金屬氧化物，此熱處理制備過(guò)程時(shí)間短，可連續(xù)完成電極材料的熱處理，具備綠色、高效、節(jié)能特點(diǎn)，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

13、(2)采用本發(fā)明所述制備方法得到的石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料可用于鋰離子電容器負(fù)極。將石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料應(yīng)用于鋰離子電容器負(fù)極時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的容量特性、循環(huán)性能和超高的倍率性能，能達(dá)到1000～2000mah/g的高比容量，構(gòu)筑的扣式鋰離子電容器能量密度可達(dá)218.6wh/kg，構(gòu)筑的多層軟包鋰離子電容器能量密度可達(dá)151.3wh/kg。

技術(shù)特征：

1.一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，所述金屬元素前驅(qū)體中的金屬元素為釩、鐵、鈷、鎳、鈮中的任一種或多種。

3.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，以質(zhì)量比為計(jì)，金屬元素前驅(qū)體：氧化石墨烯＝0.2～10：1，氧化石墨烯懸浮液為改性hummer法制備得到，氧化石墨烯懸浮液的固含量為1～20mg/ml，攪拌處理的時(shí)間條件為6～24h，溫度條件為25～100℃。

4.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，混合懸浮液的冷凍干燥處理采用液氮淬冷法。

5.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，外焰的溫度為600～2000℃，外焰與懸浮液粉末的相對(duì)掃速為0.1～1m/s。

6.如權(quán)利要求1所述的一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，二次干燥處理為凍干或烘干。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述制備方法得到的石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料。

8.如權(quán)利要求7所述石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料作為鋰離子電容器負(fù)極材料的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電化學(xué)新能源領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料制備方法與應(yīng)用。一種石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料的制備方法，包括以下步驟：將金屬元素前驅(qū)體充分溶于溶劑中后，加入氧化石墨烯懸浮液攪拌，得到混合懸浮液，冷凍干燥后制得懸浮液粉末；將懸浮液粉末經(jīng)過(guò)外焰按一定掃速瞬態(tài)處理后，洗滌后，進(jìn)行二次干燥處理，得到石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料。采用本發(fā)明所述制備方法得到的石墨烯表面修飾納米金屬氧化物復(fù)合電極材料，二者耦合性極高，金屬氧化物粒子均生長(zhǎng)于石墨烯片層之上。

技術(shù)研發(fā)人員：拜永孝,曾建宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘭州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/26