CN107768668B - 一种钠离子电池正极材料的制备方法 - Google Patents

一种钠离子电池正极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钠离子电池正极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：制备GO的无水乙醇悬浮液；向GO的无水乙醇悬浮液融入碘，制备GO/碘的悬浮液；再对GO/碘的悬浮液进行真空过滤处理，形成碘量子点复合的氧化石墨烯(IQDs@GO)薄膜；然后对IQDs@GO薄膜进行水洗干燥处理；对水洗干燥处理后的IQDs@GO薄膜进行酸处理，化学还原得到不用支撑的碘量子点修饰的还原氧化石墨烯(IQDs@RGO)薄膜；最后对IQDs@RGO薄膜进行水洗烘干处理。本发明制备过程简单，成本低廉，采用本发明制备的钠离子电池表现出优异的电化学性能，具有高的容量、优异的循环稳定性和良好的倍率性能。

Description

一种钠离子电池正极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及钠离子电池技术领域，尤其涉及一种钠离子电池正极材料的制备方法。
背景技术
在如今这个能源时代，开发具有高能量密度的储能设备非常重要。锂离子电池(LIBs)由于其相对较高的放电电压、能量密度和很好的功率性能，所以被广泛地应用于便携式电子产品和网络存储。但是，因为其成本较高以及原材料锂的缺乏，促使了新型的同类可替代产品的出现，比如铝离子电池、钠离子电池(SIBs)。钠与锂属于同一主族，具有相似的理化性质，钠离子电池(SIBs)具有和锂离子电池(LIBs)相似的原理，电池充放电原理基本一致。相比较锂离子电池，钠离子电池具有以下特点：钠资源丰富，约占地壳元素储量的2.64％，而且价格低廉，分布广泛，钠离子电池(SIBs)具有低成本优势，因此在大规模电能存储中有着广阔的应用前景。
数十年来钠离子电池(SIBs)已被大家所知，但是它的商业化发展却并不顺利，主要原因是一直没有找到制备简单、成本低廉的正极材料。迄今为止，对于SIBs的研究都集中在探索更加理想的可嵌入Na+的正极材料，比如：NaxCoO2，NaCrO2，Na2Ni2TeO6,，Na3V2O2x(PO4)2F3-2，Na2FePO4F，Na4Fe3(PO4)2(P2O7)，Na2MnFe(CN)6，NaNi1/3Mn1/3Fe1/3O2等。然而，这些材制备工艺复杂，用它们作为电池材料的成本并不低，因此迫切需要找到另外一种低成本的替代材料作为SIBs的正极材料。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种钠离子电池正极材料的制备方法。
为解决现有应用于钠离子电池的正极材料制作工艺复杂，成本高的问题，本发明所采用的技术方案是：一种钠离子电池正极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
制备GO的无水乙醇悬浮液；
向GO的无水乙醇悬浮液融入碘，制备GO/碘的悬浮液；
对GO/碘的悬浮液进行真空过滤处理，形成碘量子点复合的氧化石墨烯(IQDs@GO)薄膜；
对IQDs@GO薄膜进行水洗干燥处理；
对水洗干燥处理后的IQDs@GO薄膜进行酸处理，化学还原得到不用支撑的碘量子点修饰的还原氧化石墨烯(IQDs@RGO)薄膜；
对IQDs@RGO薄膜进行水洗烘干处理。
进一步的，所述GO的无水乙醇悬浮液的制备方法为将50mgGO溶于40mL无水乙醇中，超声振荡2h。
进一步的，所述GO/碘的悬浮液的制备方法为将0.5g碘溶于所述GO的无水乙醇悬浮液，待碘全部溶解后，得到均匀的悬浮液，然后将30mL去离子水(DIW)倒入上述所得的悬浮液，将以上含有GO和碘的无水乙醇/DIW悬浮液进行连续搅拌12h。
进一步的，所述真空过滤处理为用过滤器将GO/碘的悬浮液进行真空过滤，所述过滤器为PVDF材质，过滤过程中过滤器给予一定的正压。
进一步的，所述水洗干燥处理为将IQDs@GO薄膜先用去离子水清洗，然后冷冻干燥过夜后，再从过滤器上剥离下来。
进一步的，所述酸处理为将得到的IQDs@GO薄膜浸入到55％的HI酸溶液，所述IQDs@GO薄膜被化学还原得到不需要支撑的IQDs@RGO薄膜。
进一步的，所述水洗烘干处理为将IQDs@RGO薄膜用去离子水进行清洗，然后置于60℃真空干燥箱烘干24h。
进一步的，所述水洗烘干处理为将IQDs@RGO薄膜用去离子水进行清洗，然后置于60℃真空干燥箱烘干24h。
由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提供一种作为钠离子电池(SIB)正极材料的IQDs@RGO薄膜的制备方法，该材料制备过程简单，成本低廉，而其它电池正极材料多用化学方法合成，成本较高，相比之下IQDs@RGO薄膜作为钠离子电池(SIB)正极材料具有很大的成本优势。
1、本发明IQDs@RGO薄膜中的RGO具有多孔结构，可以提供一种导电网络，IQDs可顺利嵌入Na+离子，并缩短Na+扩散运输距离，在高电流密度下正极材料没有造成不可逆转的改变，且石墨烯具有较强的吸附，可以抑制碘的溶解，实现电极材料的高利用率，使得钠离子(SIB)电池具有优良的循环稳定性即有超长寿命。
2、本发明与其它用于钠离子电池(SIB)的传统电极材料相比，该材料具有很好的柔韧性，即使在强弯曲条件下，不会断裂，能够保持结构的完整性，另外，该材料无需粘结剂和导电剂就可以直接应用于钠离子电池(SIB)或柔性钠离子电池(SIB)的正极材料。
3、采用本发明制备的钠离子电池(SIB)表现出优异的电化学性能，具有高的容量、优异的循环稳定性和良好的倍率性能。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种钠离子电池正极材料的制备方法的流程图；
图2为本发明提供的IQDs的合成过程示意图。
图3为IQDs@RGO正极材料的循环伏安图。
图4为IQDs@RGO正极的厚度与电池容量之间的关系图。
图5为纯的RGO在不同电流密度下的容量性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
参考图1，一种钠离子电池正极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S101、制备GO的无水乙醇悬浮液，将50mgGO溶于40mL无水乙醇中，超声振荡2h，得到GO的无水乙醇悬浮液；
S102、制备GO/碘的悬浮液，将0.5g碘溶于所述GO/无水乙醇悬浮液，待碘全部溶解后，得到均匀的悬浮液；然后将30mL去离子水(DIW)倒入上述所得的悬浮液，将以上含有GO和碘的无水乙醇/DIW悬浮液进行连续搅拌12h；
S103、对GO/碘的悬浮液进行真空过滤处理，用过滤器将所得悬浮液进行真空过滤，所述过滤器为PVDF材质，过滤过程中过滤器给予一定的正压，形成碘量子点复合的氧化石墨烯(IQDs@GO)薄膜；
S104、对IQDs@GO薄膜进行水洗干燥处理，将IQDs@GO薄膜先用去离子水清洗，然后冷冻干燥过夜后，再从过滤器上剥离下来；
S105、对水洗干燥处理后的IQDs@GO薄膜进行酸处理，，将得到的IQDs@GO薄膜浸入到55％的HI酸溶液，所述IQDs@GO薄膜被化学还原得到不需要支撑的IQDs@RGO薄膜；
S106、对IQDs@RGO薄膜进行水洗烘干处理，将IQDs@RGO薄膜用去离子水进行清洗，然后置于60℃真空干燥箱烘干24h。
如图2所示，IQDs@RGO薄膜的合成过程示意图，图中从左到右瓶子内混合液依次为酒精和去离子水的体积比分别为1:0，4:3和1:2，碘溶于混合液中。很明显，混合液中未加入GO，所以其中的IQDs沉淀清晰可见，混合物中呈现出黑色。该材料通过浓度梯度原理经过两步工艺制备，先将碘溶解在氧化石墨烯的无水乙醇悬浮液中，再用去离子水稀释上述悬浮液，利用碘在去离子水中溶解度更低这一特性促使碘结晶，在乙醇和去离子水体积比为4:3时，碘分子结合在一起，形成碘量子点(IQDs)，当真空过滤的时候，IQDs吸附在GO纳米片上形成IQDs@RGO薄膜，该材料制备过程简单，成本低廉，作为钠离子电池(SIB)正极材料具有很大的成本优势。其中的RGO具有多孔结构，可以提供一种导电网络，IQDs可顺利嵌入Na+离子，并缩短Na+扩散运输距离，在高电流密度下正极材料没有造成不可逆转的改变，此外，石墨烯具有较强的吸附，可以抑制碘的溶解，实现电极材料的高利用率，另外，该材料具有很好的柔韧性，即使在强弯曲条件下，不会断裂，能够保持结构的完整性，另外，该材料无需粘结剂和导电剂就可以直接应用于钠离子电池(SIB)或柔性钠离子电池(SIB)的正极材料。
参考图3-图5，采用本发明制备的钠离子电池(SIB)表现出优异的电化学性能，具有高的容量、优异的循环稳定性和良好的倍率性能。如图3所示，为IQDs@RGO正极材料的循环伏安图，由图可见，在充嵌钠-脱钠过程中，IQDs@RGO的可逆性能良好；如图4所示，为IQDs@RGO正极的厚度与电池容量之间的关系，由图可见，厚度的变化对于电池容量的影响非常小，可忽略不计；图5为纯的RGO在不同电流密度下的容量性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：制备GO的无水乙醇悬浮液；
向GO的无水乙醇悬浮液融入碘，制备GO/碘的悬浮液；
对GO/碘的悬浮液进行真空过滤处理，形成碘量子点复合的氧化石墨烯(IQDs@GO)薄膜；
对IQDs@GO薄膜进行水洗干燥处理；
对水洗干燥处理后的IQDs@GO薄膜进行酸处理，化学还原得到不用支撑的碘量子点修饰的还原氧化石墨烯(IQDs@RGO)薄膜；
对IQDs@RGO薄膜进行水洗烘干处理。
2.根据权利要求1所述一种钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述GO的无水乙醇悬浮液的制备方法为将50mgGO溶于40mL无水乙醇中，超声振荡2h。
3.根据权利要求1所述一种钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述GO/碘的悬浮液的制备方法为将0.5g碘溶于所述GO的无水乙醇悬浮液，待碘全部溶解后，得到均匀的悬浮液，然后将30mL去离子水(DIW)倒入上述所得的悬浮液，将以上含有GO和碘的无水乙醇/DIW悬浮液进行连续搅拌12h。
4.根据权利要求1所述一种钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述真空过滤处理为用过滤器将GO/碘的悬浮液进行真空过滤，所述过滤器为PVDF材质，过滤过程中过滤器给予一定的正压。
5.根据权利要求1所述一种钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述水洗干燥处理为将IQDs@GO薄膜先用去离子水清洗，然后冷冻干燥过夜后，再从过滤器上剥离下来。
6.根据权利要求1所述一种钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述酸处理为将得到的IQDs@GO薄膜浸入到55％的HI酸溶液，所述IQDs@GO薄膜被化学还原得到不需要支撑的IQDs@RGO薄膜。
7.根据权利要求1所述一种钠离子电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述水洗烘干处理为将IQDs@RGO薄膜用去离子水进行清洗，然后置于60℃真空干燥箱烘干24h。
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