热解氧化石墨及其作为锂离子电池负极材料性能

热解氧化石墨及其作为锂离子电池负极材料性能

陆翠华

陆翠华（安徽省怀远县包集中学233400）

[摘要]通过Brodie法制备氧化石墨，并将其分别在N2和H2气氛中热解，制备热解氧化石墨；对比其作为锂离子电池负极材料的性能，表明不同处理过程所得热解氧化石墨的结构和组成不同，其电化学性能也有很大差别。

一、引言

在现代化工中，氧化石墨用作耐火材料、冶金、热电工程、化工和其它工业的具有高膨胀度的膨胀石墨的制备，具有广泛的应用前景。

氧化石墨(graphiteoxide,GO)是石墨(graphite,G)经深度液相氧化得到的一种层间距远大于原石墨的层状化合物，其层间含有大量的极性基团：-C=O，-OH，C-O-C，甚至-COOH等基团，这些极性基团的存在，使氧化石墨在水溶液中具有良好的层间吸附性。由于极性基团的存在，氧化石墨很容易吸收极性小分子而形成氧化石墨嵌入化合物，其层间距离值随极性分子尺寸的增大而增大，但这类嵌入化合物的稳定性较差，同时也很易脱嵌(deintercalate)，这使得其有作为锂离子电池负极材料的嵌入、脱嵌锂离子的可能性。与石墨不同，氧化石墨在外力，如超声波的作用下在水中或碱水中可形成稳定性较好的氧化石墨胶体或悬浮液，同时受层间电荷的静电排斥作用，氧化石墨的片层发生层-层剥离。从而使得其具有取代石墨作为锂离子电池负极材料的优越性。

自1859年Brodie首次发现氧化石墨以来，氧化石墨的合成主要有Brodie法、Hummer囚及电化学氧化法等。

二、氧化石墨及热解氧化石墨的电化学性能测试

氧化石墨和热解氧化石墨作为锂离子电池电极材料的电化学性能是在以金属锂为负极的扣式CR2032电池中进行测试的。氧化石墨及热解氧化石墨电极膜的制备是由活性材料氧化石墨、12％的PVDF溶液、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的混合浆料用流延法在Cu箔上拉膜而成，然后经过烘干、冲片即可制成电极片。CR2032电池是在手套箱中完成的，电解液为LB302(LiPF6溶解在EC与DEC比例为1：1的溶液中)，隔离膜为聚乙烯微孔膜(Celgard2400)。以0.20mA的电流进行恒流充放电，电压范围为0～3V。

三、结果与分析

热解氧化石墨的还原过程如下：第Ⅰ阶段即还原温度在300～600℃之间时，主要发生-C=O基团和C-OH基团的还原反应，氧含量明显降低，晶体结构逐渐恢复为石墨的晶体结构，第Ⅱ阶段即热解温度在600～900℃之间时，随着还原温度的进一步升高，残余的C-OH基团被还原，氧含量进一步降低，晶体结构逐渐偏离石墨的晶体结构。

热解氧化石墨嵌锂容量随温度变化的原因可能是：石墨被氧化时，氧原子既可以与石墨层面边缘上的具有悬空键的碳原子反应，生成各种含氧官能团，也可以通过俘获石墨层间的π电子而进入石墨层间，并与层面上的碳原子形成碳-氧共价键。这种环氧基团的存在使得石墨层面由原来的碳六角网格平面结构变成马鞍形的曲拱面结构，层面间距也随之由石墨的0.338nm增加到氧化石墨的层间距为0.898nm，且层面中的碳六角网格由石墨特有的平面结构变成了锯齿状结构，破坏了石墨层间的π电子结构。石墨氧化后层间极性基团的存在和层面间距增大，使氧化石墨具有极大的吸附分子能力。

H2还原热解时，随着还原温度的升高，还原氧化石墨中氧元素的质量百分含量减小，在由300℃热解在一定程度上破坏了原有氧化石墨的晶体结构，氧化石墨中的碳六角网格平面由锯齿状结构逐渐恢复为平面结构，300℃处理的热解氧化石墨由于层间吸附水的脱出、C-O-C基团、环氧及过氧基团的分解及大量共轭-C=C键的出现，使氧化石墨层间距降低，π电子浓度增加；当温度升高到600℃处理时的还原氧化石墨已重新回复为石墨的晶体结构，层间距也逐渐接近原石墨，还原过程中存在明显的晶粒细化现象；当温度超过600℃时，还原氧化石墨的晶体结构开始偏离石墨的晶体结构，其表现为层间距(d002)增大和晶粒细化(Lc减小)，因此，颗粒细化使得嵌锂容量增加而层间距增大则不利于嵌锂容量的增加，在这两种因素的作用下，600℃还原热解氧化石墨的嵌锂容量低于300℃还原热解氧化石墨。当温度升高到900℃时，还原温度过高时会产生层间距增大和晶粒进一步细化等结构变化现象，由于颗粒的进一步细化起主导作用，使得900℃还原热解处理氧化石墨的嵌锂容量高于600℃还原热解处理氧化石墨。

N2气氛下热解处理氧化石墨时，随着热解温度的升高，样品中氧元素的含量减小，相应地碳元素含量增加，热解氧化石墨中有大量的含氧官能团发生了分解反应。当热解温度上升到900℃时，样品中氧元素含量仅为1.49%左右，说明热解氧化石墨中的含氧官能团基本上被分解了。同时随着热解温度的升高，热解氧化石墨中的H/C原子比也是逐渐减小的。当热解温度不超过300℃时，随着-C=O基团和部分C-OH基团的分解，热解氧化石墨中的极性基团急剧减少，氧含量急剧下降，晶体结构由氧化石墨态经由过渡态逐渐向类石墨态转变，热解氧化石墨仍维持着氧化石墨的层状有序结构，即都出现了氧化石墨的(001)特征峰，但由于层间水的脱出及环氧或过氧基团的分解，峰位逐渐向高角度方向位移，层间距逐渐减小；同时，(001)特征峰的强度逐渐减弱，说明在层间水脱出及环氧或过氧基团分解的过程中，部分氧化石墨片层发生了膨胀或层离，其首次嵌锂容量与石墨相似，循环容量约为220mAh/g；当热解温度达到600℃时，热解氧化石墨完全转化为类石墨结构，晶粒继续细化；首次嵌锂容量增加，由于类石墨结构的存在导致其循环容量降低；随着热解温度的进一步升高到900℃到，由于残余C-OH基团的分解在一定程度上破坏了类石墨的片层结构，因此热解氧化石墨出现晶粒数目减少、继续晶粒细化现象，导致首次嵌锂容量的继续增加，由于类石墨结构的破坏使其嵌锂容量升高。

综上，可以看出，氧化石墨具有良好的循环容量，不同气氛和温度热解处理氧化石墨的组分、官能团结构和层间距离都会改变，从而影响其作为锂离子电池负极材料的嵌锂性能。

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