杨 娟,罗西希,王松灿,周向阳

(1.中南大学冶金科学与工程学院,湖南长沙 410083;2.南京航天航空大学材料科学与技术学院,江苏南京 211106)

石墨烯(GNS)用于锂离子电池的优点有[1]:①导电和导热特性优良;②与石墨相比,储锂空间更多,益于提高能量密度;③片层的尺度为微纳米量级,Li+的扩散路径较短,有利于提高功率性能。E.Yoo等[2]测得,电流为 50 mA/g、电压为0～3.5 V时,GNS的比容量为540 mAh/g;P.Guo等[3]研究的GNS,在电流密度为0.2 mA/cm2、电压为 0.01～3.50 V时,可逆比容量为672 mAh/g;D.Pan等[4]研究的GNS,在电流为50 mA/g、电压为 0.005～3.000 V时,可逆比容量为784～1 054 mAh/g,第15次循环的容量保持率为 74%。

本文作者采用能耗低、成本低的低温氧化-还原法制备GNS,研究了石墨氧化时间、石墨与氧化剂的质量比及氧化石墨超声波处理时间等主要工艺参数,对GNS作为锂离子电池负极材料时电化学嵌脱锂性能的影响。

1 实验

1.1 GNS的制备及实验电池的装配

称4 g鳞片石墨(南京产,≥99.99%)和3 g NaNO3(汕头产,AR),在冰浴搅拌的条件下,加入 300 ml浓H2SO4(衡阳产,AR)与一定量的 KMnO4(长沙产,AR),反应2 h,再升温至35℃,反应一定时间,加入大量的去离子水与15 ml H2O2(汕头产,AR),至溶液变为亮黄色。趁热过滤,并用5%的HCl(衡阳产,AR)与去离子水多次洗涤,直至pH=7。将滤饼于70℃下干燥24 h,即得氧化石墨(RGO)。称1 g制得的RGO,加适量的去离子水,超声波剥离后可得到稳定的金黄色氧化石墨烯(GO)溶液,再加入20 ml水合肼(长沙产,AR),在95℃下搅拌反应数小时,过滤洗涤直到滤液呈中性,将滤饼于45℃烘箱中干燥 72 h,即得GNS。

将制得的GNS与聚偏氟乙烯(PVDF,上海产,电池级)按质量比4∶1混合,加入 N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP,深圳产,AR)研磨均匀,涂覆于 0.02 mm厚的铜箔(昆山产,＞99%)集流体上,在120℃下真空(真空度为-0.1 MPa)干燥24 h,冲成直径为10 mm的电极片(含0.36 mg活性物质)。……