热解氧化石墨及其作为锂离子电池负极材料性能

[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(graphite oxide, 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(Celgard 2400)。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。