多孔石墨烯及其制备方法、包含其的导电剂的应用

本发明涉及锂离子电池，具体地说，涉及多孔石墨烯及其制备方法、包含其的导电剂的应用。

背景技术：

1、锂离子电池是目前使用最广泛的能量存储设备。具有低成本、环境友好、高比能量、无记忆效应、质量轻等特点，是动力电源(医疗设备、娱乐设备、计算机、通讯设备、电动汽车、航天飞行器等)的重要组成部分。锂离子电池正极常采用过渡金属氧化物为活性材料，例如层状钴酸锂、镍酸锂、镍钴酸锂或磷酸铁锂等，负极常采用石墨、硅基材料等作为活性材料。

2、磷酸铁锂电池因高安全性、长寿命、低价格、环保等优点，在动力以及储能领域发挥重要作用。但磷酸铁锂的低电导率(10-9-10-10s/cm)和低离子扩散速率(10-14cm2/s)，导致其低比容量，限制其使用。因此在电池制作过程中，需要添加导电剂，利用导电剂之间充分有效的接触及活性材料空隙的填充，构筑起连续的导电网络，从而提高极片的导电性，以提高锂离子电池的电性能，除此外，导电剂需要具备良好的吸收和保持电解液的能力，便于为锂离子的传输迁移提供通道，减弱电极的欧姆极化和电化学极化。

3、碳系导电剂是锂离子电池常用导电剂，具有低成本，质量轻等特点；碳系导电剂主要有导电石墨、导电炭黑、纤维状导电剂、石墨烯；石墨烯导电剂具有“至柔至薄至密”的特性，具有极高的导电率和大的接触面积，其性能远优于导电石墨、导电炭黑，但其完美的二维平面sp2结构，π–π堆积和范德华相互作用会导致石墨烯的堆叠团聚，为石墨烯的分散造成了难题，除此外石墨烯的致密平面也会阻碍锂离子在电极中的传输，高倍率情况下尤甚。因此，科研工作者将重点放在了制备多孔石墨烯上。利用各种方式在石墨烯上造孔，通过调整孔洞的大小和数量，将石墨烯对锂离子扩散的阻碍作用降到最低。

4、传统石墨烯活化造孔技术利用naoh、koh、hno3、kmno4、浓h2so4等强酸强碱试剂化学活化造孔。cn102070140a公开了一种利用强碱和碳在高温下的反应，对热处理或者微波热处理得到的石墨烯粉末进行进一步化学处理，从而快速的、大批量的在石墨烯表面腐蚀出纳米量级的微孔,极大地提高其比表面积。但该发明选用的强碱试剂为配制的强碱水溶液，浓度为0.2-20mol/l，对设备的腐蚀严重，操作步骤繁琐，生产效率不高，且仅靠化学试剂活化所需活化温度高，时间长，能耗高，造成了多孔石墨烯成本的大量升高，而且还会形成大量难以处理强碱，强酸的废水，增加环境污染和处理成本。

技术实现思路

1、<本发明解决的技术问题>

2、用以解决现有技术中强碱、强酸进行造孔造成的耗能高、成本高、后段处理难度大的问题。

3、<本发明采用的技术方案>

4、针对上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种多孔石墨烯及其制备方法、包含其的导电剂的应用。本发明提供的多孔石墨烯，其工艺温和、简单高效，易于产业化；经此工艺得到的多孔石墨烯，用做导电剂在保持高导电率的同时，为电活性物质的层间传输提供通畅快速的通道，从而提升材料在锂离子电池领域的应用潜力。

5、具体内容如下：

6、第一，本发明提供了一种多孔石墨烯的制备方法，包括如下步骤：

7、s1将弱碱溶于水形成活化溶液；

8、s2石墨烯加入活化溶液中，得到悬浮液；悬浮液经加热预处理得到活化产物；

9、s3活化产物经等离子体处理，得到多孔石墨烯。

10、第二，本发明提供了一种由前述的制备方法得到的多孔石墨烯。

11、第三，本发明通过了一种锂离子电池正极导电剂，包括如权利要求7所述的多孔石墨烯、活性物质、粘接剂、溶剂。

12、第四，本发明提供了一种锂离子电池正极导电剂的应用方法，包括如下步骤：

13、活性物质、导电剂、粘接剂共混，经球磨得到浆料，浆料覆于铝箔，经组装得到纽扣电池。

14、<本发明采用的技术机理>

15、利用弱碱对石墨烯进行预处理，用以增多碳层上的活性位点，再通过微波辐射空气，得到氧等离子体，电子发生跃迁，激活碳原子反应，无定形碳被刻蚀，从而制备出多孔石墨烯，微波焦耳加热机理即微波诱导石墨烯中电子移动，在完美的石墨烯畴中产生电流，在缺陷处遭遇电阻发热，缺陷区的含氧官能团发生热反应，sp3碳键脱氧产生sp2碳键，用于降低多孔石墨烯的含氧量，维持其的高电子迁移率；上述两种反应的存在，使得在石墨烯片上造孔的同时，有效降低碱活化过程中造成的石墨烯含氧基团过多，电子迁移率下降的问题。

16、<本发明达到的有益效果>

17、通过弱碱预处理和等离子体刻蚀造孔处理的协同作用，实现了低碱，低温的温和环境下多孔石墨烯的制备。该方法工艺简单高效，成本低，绿色环保，能耗低，易于产业化，并且可通过改变等离子体辐射条件，制备出不同孔径大小及不同孔径量的多孔石墨烯，所得多孔石墨烯除了应用于锂离子电池导电剂外，还可应用于多种领域，例如超级电容器电极材料、燃料电池催化剂、各种气体传感器等，对于扩展多孔石墨烯的工业化应用具有重要意义。

技术特征：

1.一种多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，s2中，石墨烯包括特征(1)至(2)中的至少一个：

3.根据权利要求1所述的多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，s2中，预处理包括特征(1)至(4)中的至少一个：

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，s3中，等离子体处理电感耦合射频放电、电场生产等离子体、或微波辐射生产等离子体。

5.根据权利要求4所述的多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，s3中，微波辐射包括特征(1)至(3)中的至少一个：

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的多孔石墨烯的制备方法，其特征在于，s1中，弱碱包括特征(1)至(2)中的至少一个：

7.一种如权利要求1至6中任意一项所述的制备方法得到的多孔石墨烯。

8.一种锂离子电池正极导电剂，其特征在于，包括如权利要求7所述的多孔石墨烯、活性物质、粘接剂、溶剂。

9.根据权利要求8所述的锂离子电池正极导电剂，其特征在于，活性物质为磷酸铁锂，导电剂还包括炭黑，粘接剂为聚偏氟乙烯，溶剂为n-甲基吡咯烷酮。

10.一种如权利要求9所述的锂离子电池正极导电剂的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了多孔石墨烯及其制备方法、包含其的导电剂的应用；多孔石墨烯的制备方法，包括如下步骤：S1将弱碱溶于水形成活化溶液；S2石墨烯加入活化溶液中，得到悬浮液；悬浮液经加热预处理得到活化产物；S3活化产物经等离子体处理，得到多孔石墨烯。通过弱碱预处理和等离子体刻蚀造孔处理的协同作用，实现了低碱，低温的温和环境下多孔石墨烯的制备。该方法工艺简单高效，成本低，绿色环保，能耗低，易于产业化，并且可通过改变等离子体辐射条件，制备出不同孔径大小及不同孔径量的多孔石墨烯。

技术研发人员：彭工厂,王姚,刘文静,张焕,瞿美臻
受保护的技术使用者：中国科学院成都有机化学有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15