石墨烯负载多孔氧化镍及制法及在锂离子电池阳极材料的应用

摘要

石墨烯负载多孔氧化镍，NiO原位生长于功能化石墨烯(FGS)上，成纳米结构介孔。介孔氧化镍纳米颗粒尺寸范围为50nm～200nm，内部孔道大小约为2～10nm，NiO/FGS质量比1-5∶1，控制石墨烯表面多孔NiO颗粒负载量。其制备方法是，将Ni(NO)

说明书

技术领域：

本发明涵盖功能化石墨烯(FGS)材料应用、纳米结构NiO材料原位生长及表征技术、锂离子扣式电池组装、电化学测量领域。

背景技术：

锂离子充电电池作为消费电子重要的能源供给，是现代高性能电池的代表。目前商用的锂离子充电电池阳极材料为石墨。此材料理论容量较低，仅为372mAh/g。极大的制约了锂离子电池的性能。近年来，NiO材料由于具有高的理论容量(718mAh/g)，低温制备，成本低廉，适合大规模生产等特点，广受研究人员的关注。

发明内容：

本发明目的是：提出一种石墨烯负载多孔氧化镍及制法和在锂离子电池阳极材料的应用，用于锂离子电池阳极材料可增加锂离子电池容量，提高锂离子电池的性能，且可低温制备，成本较低，适合大规模生产。

本发明的技术方案是：石墨烯负载多孔氧化镍，将纳米结构介孔NiO原位生长于功能化石墨烯(FGS)上，此复合结构中，利用功能化石墨烯(FGS)纳米尺度框架装载纳米结构多孔NiO。介孔氧化镍纳米颗粒尺寸范围为50nm～200nm，内部孔道大小约为2～10nm，由介孔氧化镍原位生长上石墨烯上。

纳米介孔结构的NiO有利于电解液与活性材料完全接触，提供锂离子传输通道以及充放电过程中体积膨胀空间。

通过负载次数及所加FGS质量的不同控制NiO与FGS质量比(NiO/FGS质量比1-5∶1)，有效控制石墨烯F GS表面多孔NiO颗粒负载量。

石墨烯负载多孔氧化镍制法：将Ni(NO)2·6H2O溶于去离子水中，加入功能化石墨烯(FGS)(NiO∶FGS质量比1-5∶1)，超声5分钟分散均匀。

将NaOH溶于去离子水中(浓度为1-5∶1、单位是mg∶ml)，使NaOH与石墨烯的质量比1-2∶1，加入至上述溶液，混合搅拌1-20分钟，所得混合物离心后提取产物，并用去离子水及酒精分别清洗并离心提取。所得产物于氩气或其它惰性气体氛围下于250±20。℃退火4±2小时。

石墨烯负载多孔氧化镍及制法和在锂离子电池阳极材料的应用。

本发明的有益效果是：NiO/FGS复合结构有效的提升电子及离子的传输性能，以 NiO/FGS质量比1∶1为例，50次循环后，电池容量仍能保持700mAh/g(充、放电速率为100mh/g)，较纯介孔NiO材料组装的锂离子电池而言。极大改善了电池的循环性能及容量保持特性。此复合材料，结构简单，制备方法简易，成本低廉，电池性能优良，容量约为商用锂离子电池的两倍。

附图说明

图1功能化石墨烯(FGS)SEM形貌图即功能石墨烯(FGS)SEM表征图。

图2纳米结构NiO原位生长于功能化石墨烯(FGS)上的结构图及SEM形貌图，即功 能石墨烯(FGS)负载介孔NiO复合结构图。

图3多孔NiO TEM形貌图，即多孔结构NiO TEM表征。

图4NiO/FGS复合结构作为锂离子电池阳极材料的循环性能图，即FGS/NiO锂离子电池电化学测试结果。

图5纯NiO纳米颗粒作为锂离子电池阳极材料的循环性能图，即纯多孔NiO锂离子电池电化学测试结果。

具体实施方式

此复合结构中，利用功能化石墨烯(FGS)图1给出了纳米尺度框架装载纳米结构多孔NiO并为之提供良好的电子传输路径(如图2所示)。介孔结构NiO(图3)有利于电解液与活性材料完全接触，提供锂离子传输通道以及充放电过程中体积膨胀空间。此外，亦可通过负载次数及所加FGS质量的不同控制NiO与FGS质量比，有效控制FGS表面多孔NiO颗粒负载量。NiO/FGS复合结构有效的提升电子及离子的传输性能，以NiO/FGS质量比1∶1为例，50次循环后，电池容量仍能保持700mAh/g(充、放电速率为100mh/g)、见图4，较纯介孔NiO材料组装的锂离子电池而言、见图5，极大改善了电池的循环性能及容量保持特性。此复合材料，结构简单，制备方法简易，成本低廉，电池性能优良，容量约为商用锂离子电池的两倍。

以两次负载法制备NiO/FGS质量比2∶1材料为例

1)一次负载

a)将Ni(NO)₂·6H₂O(388mg)溶于37.5ml去离子水中，加入功能化石墨烯(FGS)100mg，超声5分钟，分散均匀；

b)将NaOH(106.5mg)溶于37.5ml去离子水中，加入至上述溶液，混合搅拌10分钟；

2)二次负载

a)将Ni(NO)₂·6H₂O(388mg)溶于37.5ml去离子水中，加入至步骤1-b所得混合溶液，超声5分钟，分散均匀；

b)将NaOH(106.5mg)溶于37.5ml去离子水中，加入至步骤2-a所得溶液，混合 搅拌10分钟；

3)步骤2-b所得混合物离心后提取产物，并用去离子水及酒精分别清洗并离心提取；

4)步骤3所得产物于氩气氛围下于250℃退火3小时，升温速率为2℃/min。该反应方程式为：Ni(OH)₂——NiO+H₂O。获得FGS/NiO质量比1∶2的复合结构材料；如果三次负载和四次负载相同量的Ni(NO)₂·6H₂O则获得FGS/NiO质量比1∶4的复合结构材料；

5)步骤4所得材料组装CR2032型锂离子纽扣式半电池(对电极为金属锂)，进行电化学测试。本发明还可进行简单的碳包覆有更加的力学稳定性及电子传输性能。