热解氧化石墨及其作为锂离子电池负极材料性能

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。 
[参考文献]
[1] 张海燕, 何艳阳, 薛新民, 等. 碳弧法中碳包Fe纳米晶及其相关碳微团的形成[J].无机材料学报, 1999, 14:291-296.
[2] 邹艳红, 傅玲, 刘洪波, 等. 对天然鳞片石墨和椰壳活性炭进行液相氧化的初步研究[J]. 湖南大学学报, 2004, 31:22-26.
[3] 韩志东, 王建祺. 氧化石墨的制备及其有机化处理 [J].无机化学学报, 2003, 19:459-461
[4] 邹艳红, 刘洪波, 傅玲, 等. 热解温度对氧化石墨的结构与导电性能的影响[J].硅酸盐学报, 2006, 34:318-325
[5] 邹艳红, 刘洪波, 傅玲, 等. 氧化石墨在H2还原过程中的结构与性能变化[J].中国有色金属学报, 2003, 15:940-946.
[6] 尹鸽平, 杜春雨, 路蜜, 等. 表面氧化石墨的嵌锉性能研究 [J].碳素, 2003, 2:20-23.