一種通過(guò)廢舊鋰電池制備石墨烯的方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)涉及一種通過(guò)廢舊鋰電池制備石墨烯的方法，其特征在于，以廢舊鋰電池中的石墨層間化合物為原料，剝離所述石墨層間化合物制得石墨烯。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：原料來(lái)源廣泛、成本低廉、適合工業(yè)化生產(chǎn)，既實(shí)現(xiàn)了廢舊鋰電池中資源的回收再利用，也找到了一種制備石墨烯的有效方法。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
ー種通過(guò)廢舊鋰電池制備石墨烯的方法
本專(zhuān)利技術(shù)涉及廢舊鋰電池的處理方法和石墨烯
，具體地說(shuō)，本專(zhuān)利技術(shù)涉及。背景技木石墨烯(Graphene)是繼富勒烯、碳納米管之后ー種新近為人類(lèi)所認(rèn)識(shí)的碳元素的同素異形體，是ー種由碳原子以Sp2雜化軌道成鍵，緊密堆積構(gòu)成的ニ維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳材料。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯高比表面積，優(yōu)異的電學(xué)性能、光學(xué)性能和機(jī)械性能等令人矚目的性質(zhì)，使得石墨烯在分子傳感器、復(fù)合材料、光電材料、能量存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。因此石墨烯的制備及其性質(zhì)研究已成為近年來(lái)納米科學(xué)研究中的熱點(diǎn)。 石墨烯的制備方法歸納起來(lái)，主要有微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、還原氧化石墨法等。其中，微機(jī)械剝離法是最早成功制備出石墨烯的方法。該方法是利用膠帶的反復(fù)撕揭把石墨烯片從高定向熱解石墨中分離出來(lái)(K. S. Novoselov, et al. Science, 306,666(2004));化學(xué)氣相沉積法是在高溫碳?xì)浠衔?如甲燒)氣氛下，使碳?xì)浠衔镏械奶汲练e到過(guò)渡金屬基板上從而制得石墨烯(Jessica Campos-Delgado, et al. Nano Letters,8,9 (2008));還原氧化石墨法是目前大量制備石墨烯的主要方法。該方法先將石墨氧化，然后通過(guò)剝離得到氧化石墨烯，最后將得到的氧化石墨烯通過(guò)還原得到石墨烯。上述方法雖然都能成功制得石墨烯，但仍存在制備方法復(fù)雜，成本昂貴等問(wèn)題，制約了石墨烯的大量生產(chǎn)。另ー方面，鋰離子電池自20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)成功以來(lái)，已廣泛應(yīng)用到手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等眾多領(lǐng)域。近年來(lái)，全球每年廢棄的鋰離子電池在10億只以上(M. Contestabile, et al. Journal of Power Sources, 92,65 (2001))。若不進(jìn)行回收處理,不僅會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也會(huì)污染環(huán)境。目前，廢舊鋰電池的回收研究主要集中在重金屬離子方面(如鈷、銅、鎳等)，而很少有人關(guān)注其中石墨資源的回收利用問(wèn)題，廢舊鋰電池中的石墨及石墨層間化合物大多直接被丟棄了，這也是一種資源浪費(fèi)。針對(duì)上述問(wèn)題，本專(zhuān)利技術(shù)結(jié)合鋰離子電池的工作原理，提出，既避免了廢舊鋰電池中石墨資源的浪費(fèi)，也為制備石墨烯提供了一條新的途徑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供ー種通過(guò)廢舊鋰電池制備石墨烯的方法。本專(zhuān)利技術(shù)的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的ー種石墨烯的制備方法，以廢舊鋰電池石墨電極上的石墨層間化合物為原料，然后剝離所述石墨層間化合物而制得石墨烯。所述的鋰電池具體分為兩種，一種是鋰金屬電池，一種是鋰離子電池。其中所述的鋰金屬電池是以石墨為正極，金屬鋰片為負(fù)極，加入電解液、隔膜制得的電池；其中所述的鋰離子電池是以充電過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)不或很少發(fā)生變化，且不與電解液發(fā)生反應(yīng)的鋰嵌入化合物為正極，石墨為負(fù)極，加入電解質(zhì)、隔膜制得的電池。所述的廢舊鋰電池是指使用過(guò)而廢棄的鋰電池，對(duì)于廢舊鋰電池中已含有鋰-石墨層間化合物的情況，直接取出其中的鋰-石墨層間化合物，也可以繼續(xù)嵌鋰得到所需階數(shù)的鋰-石墨層間化合物；對(duì)于廢舊鋰電池中不含有鋰-石墨層間化合物的情況，可對(duì)其中的石墨先進(jìn)行嵌鋰操作，制得鋰-石墨層間化合物，再取出使用。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于鋰金屬電池是嵌鋰操作對(duì)其進(jìn)行放電操作，對(duì)于鋰離子電池嵌鋰操作是對(duì)其進(jìn)行充電操作。所述的剝離石墨層間化合物的方法選自下列方法中的ー種、兩種或兩種以上的組合機(jī)械剝離、剝離劑剝離、電解剝離。所述的機(jī)械剝離為對(duì)石墨層間化合物施用使其彎曲、凹陷，刮擦、壓入或折斷的 力，從而剝離出石墨烯的方法。機(jī)械剝離的實(shí)例可以是利用膠帶反復(fù)撕揭石墨層間化合物，使其變薄，從而得到石墨烯。也可以是利用原子力顯微鏡(AFM)的無(wú)針尖探針刮擦固定著的石墨層間化合物，取得刮下的薄片繼續(xù)前述步驟，最終得到石墨烯。也可以是利用球磨機(jī)對(duì)分散于有機(jī)溶劑中的石墨層間化合物粉末進(jìn)行球磨，從而得到石墨烯。使用機(jī)械剝離不會(huì)在所得石墨烯上引入雜原子，但是所得石墨烯形狀不規(guī)則，且制備過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)。所述的電解剝離插入金屬熔融鹽為電解質(zhì)，以石墨為電極形成化學(xué)體系，石墨層間化合物作為陽(yáng)極，通過(guò)調(diào)節(jié)電位、電量的控制使電解生成的金屬繼續(xù)插入石墨層間化合物層間從而剝離制得石墨烯。使用電解剝離可以大規(guī)模制備石墨烯，但是所得石墨烯上會(huì)留有雜質(zhì)，例如金屬鹽。且整個(gè)反應(yīng)過(guò)程需要較高的溫度，對(duì)反應(yīng)環(huán)境要求較為苛刻。所述剝離劑剝離可以利用兩種剝離劑進(jìn)行剝離ー是利用可與石墨層間化合物反應(yīng)的剝離劑，通過(guò)反應(yīng)釋放的氣體或膨脹效應(yīng)進(jìn)ー步擴(kuò)大石墨層間距，使石墨片層互相遠(yuǎn)離至擺脫彼此間范德華カ的束縛，最終剝離得到石墨烯；ニ是采用表面能與石墨相近的剝離劑，因?yàn)楸砻婺芟嘟那闆r下可以減小剝離劑與石墨的混合熵，類(lèi)似干“相似相溶”原理，這樣就可以讓剝離劑插入到石墨層間化合物中，繼續(xù)增加石墨層間距，從而剝離石墨層間化合物得到石墨烯。所選剝離劑的表面張カ需在10-70mJ/m2，更優(yōu)選地在20_50mJ/m2的范圍內(nèi)；上述表面張カ數(shù)值都是在20°C下懸滴法測(cè)試所得。使用剝離劑剝離操作簡(jiǎn)單，剝離劑來(lái)源廣泛，大多為常有的化學(xué)試劑，不會(huì)在所制得的石墨烯上引入雜原子。剝離方法最優(yōu)選的是剝離劑剝離。所述的剝離劑選自無(wú)機(jī)液體和有機(jī)液體中的ー種、兩種或兩種以上。所述的無(wú)機(jī)液體選自水、無(wú)機(jī)酸水溶液、表面活性劑水溶液。所述無(wú)機(jī)酸的水溶液實(shí)例為氯化氫的水溶液、稀硫酸、稀硝酸等所述表面活性劑實(shí)例為聚氧こ烯硬脂酸酯(Brij 76)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十四烷基三甲基溴化銨(TTAB)U-吡啶酸(PBA)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、十二烷基硫酸鋰(LDS)、膽酸鈉(SC)、脫氧膽酸鈉(DOC)、牛黃脫氧膽酸鈉(TDOC)、3-丙磺酸內(nèi)鈉(CHAPS)、聚苯こ烯磺酸鈉(PSS)、聚こ烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基-P-D-麥芽糖苷(DBDM)、壬苯醇醚(IGEPAL C0-890)、聚氧こ烯山梨醇單油酸酯(Tween 80)等。所述的有機(jī)液體選自醇、酮、酷、胺、砜、氯苯、有機(jī)酸、離子液體。其中所述醇是含有1-6個(gè)碳原子的醇。實(shí)例可以是甲醇、こ醇、こニ醇、I-丙醇、2_丙醇、1，2-丙ニ醇、1，3-丙ニ醇、丙三醇、I-丁醇、I-戊醇、I-己醇等；其中所述酸是含有1-6個(gè)碳原子的酸。實(shí)例可以是甲酸、こ酸、こニ酸、I-丙酸、2_丙酸、1，2_丙ニ酸、1，3_丙ニ酸、丙三酸、I-丁酸、I-戊酸、I-己酸等；其中所述酮的實(shí)例可以是丙酮、I-甲基-2-吡咯烷酮、N-こ烯基吡咯烷酮、辛基吡咯烷酮、十二烷基吡咯烷酮、I，3- ニ甲基-2-咪唑啉酮等；其中所述酯的實(shí)例可以是Y-丁內(nèi)酷、苯甲酸芐酯等；其中所述胺的實(shí)例可以是ニ甲基甲酰胺、N，N-ニ甲基苯胺、N，N-ニ甲基甲酰胺等; 其中所述砜的實(shí)例可以是ニ甲基亞砜等；其中所述氯苯的實(shí)例可以是鄰ニ氯苯等；其中所述離子液體的實(shí)例可以是、 、 、 、Cl、Cl 等。也可以選自前述的液體兩種或兩種以上組成的混合物，如水/甲醇，水/こ醇，水/甲酸，こ醇/こ酸，水/こ醇/こ酸，N-甲基吡咯烷酮/ 7jC， /7jC, /ニ甲基甲酰胺等。石星稀的廣率為所制得石星稀的質(zhì)量與原本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種通過(guò)廢舊鋰電池制備石墨烯的方法，其特征在于，以廢舊鋰電池中的石墨層間化合物為原料，剝離所述石墨層間化合物制得石墨烯。

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：關(guān)士友，劉婷婷，李星瑋，崔佳佳，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：華東理工大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：