CN108963251A - 基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池 - Google Patents

基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池，将还原的氧化石墨烯均匀分散在乙醇中，并加入氢氟酸后置于反应釜中，加热至120～180℃进行反应，反应后自然冷却至室温20—25摄氏度得到以‑CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片，以此为负极材料组装电池。本发明使用的还原的氧化石墨烯、氢氟酸等原材料廉价易得，石墨烯掺杂工艺简单、可宏量生产，电学性能明显改善和提升。

Description

基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池
技术领域
本发明属于材料技术领域，更加具体地说，涉及一种基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池，以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片进行负极材料的制备。
背景技术
石墨烯是由sp2杂化的碳原子相互连接构成的单原子层超薄二维晶体材料，其碳原子之间呈六角环形蜂窝状并通过共价键相互连接。由于其独特的结构导致其展现出许多优异的性质，将其用作碱金属二次电池负极材料，展现出极高的比容量和优异的稳定性。但是大部分对离子扩散和电子传输起作用的活性位点均位于石墨烯边缘的褶皱区域。所以对于本征石墨烯材料来说，由于缺少这种边缘褶皱和活性位点使其在充放电过程中严重阻碍碱金属离子的吸附和扩散。因此人们常采用多种调控原子结构的方法改性石墨烯。
研究发现，通过在石墨烯中引入杂原子会导致石墨烯电子结构和晶格变化，增加结构缺陷。由于氟原子的高电负性和C-F单键的高键解离能(488kJ mol-1)，氟掺杂被认为是众多元素掺杂石墨烯的最有效的手段之一。许多人对氟掺杂石墨烯进行了报道(Wang Z,Wang J,Li Z,et al.Synthesis of fluorinated graphene with tunable degreeoffluorination[J].Carbon,2012,50(15):5403-5410)，然而制备具有特定的C-F键键型和含氟基团的氟掺杂石墨烯材料一直是一个重要难题。日前，我们报道了含C-F半离子键的氟掺杂石墨烯的制备方法(CN2014102017736)，但是可控合成具有特定含氟基团的氟掺杂石墨烯一直没有被报道。因此，采取特定方法制备出主要以-CF2形式存在的氟掺杂石墨烯对于元素掺杂石墨烯材料的制备和应用产生了重大意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池，针对氟掺杂石墨烯中含氟组分(-CF，-CF2和-CF3)随机存在的问题，采用大量含有C＝O以及C-O结构的还原氧化石墨烯为原始碳源，以氢氟酸为氟化试剂进行氟掺杂，可以得到大量-CF2和-CF结构，由于电化学惰性的-CF2比C-F单键的键解离能要大很多，从而得到C-F键主要以-CF2形式存在的氟掺杂石墨烯并以此为负极材料组装电池
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池，氟掺杂石墨烯、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比(75—85)：(5—15)：10混合后制备锂离子电池的负极材料；使用的电解液组成为1MLiPF6的溶液，所述溶液为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的混合溶液，两者体积比为1:1；
其中氟掺杂石墨烯纳米片为主要含CF2的氟掺杂石墨烯，按照下述步骤进行制备：将还原的氧化石墨烯均匀分散在乙醇中，并加入氢氟酸后置于反应釜中，加热至120～180℃进行反应，反应后自然冷却至室温20—25摄氏度，离心水洗干燥即可。
使用的电解液组成为在制备负极材料过程中，将氟掺杂石墨烯，乙炔黑，PVDF按照质量比要求置于氮-甲基吡咯烷酮(NMP)中进行湿法研磨制备成浆料，将研磨好的浆料均匀涂布于铜箔(用作负极材料)上，放置于鼓风烘箱中50—60摄氏度下烘1～2小时，将烘好的料置于真空干燥箱中干燥24小时。
在上述技术方案中，反应时间为12～36h，反应温度为150—160摄氏度。
在上述技术方案中，反应釜为水热釜，或者采用其他材质的耐温耐压反应釜，容积也可根据实际条件进行调整。
在上述技术方案中，通过调整反应时间和反应温度来调控氟掺杂量。
在上述技术方案中，反应结束自然冷却至室温后，取出溶液并用离心机在8000～10000rmp转速下离心20—30min，将得到的粉末重新分散于去离子水和乙醇中，反复离心5—10次，直到水溶液的pH达到中性；随后将得到的粉末抽滤，并放置在真空干燥箱中，50—60℃条件下烘干20—24h，得到C-F键主要以-CF2形式存在的氟掺杂石墨烯纳米片(F-rGO)。
在上述技术方案中，还原的氧化石墨烯可以采用市售产品，或者采用改性Hummers法制备氧化石墨烯，采用水合肼、HI等还原剂或高温退火还原，以使氧化石墨烯的氧化基团(羧基)完全或者部分发生还原转化，例如形成C＝O以及C—O结构。
在上述技术方案中，氢氟酸是质量分数为30—40％的HF水溶液。
在上述技术方案中，相对于还原的氧化石墨烯，氢氟酸用量为过量，以使氧化石墨烯的氧化基团(羧基)完全或者部分发生还原转化，例如以还原的氧化石墨烯和乙醇为原料配置浓度为1～3mg/ml的rGO乙醇分散液，加入1～10mL氢氟酸，超声5～30min混合均匀。
在本发明技术方案中，以还原的氧化石墨烯为原始碳源，以氢氟酸为氟化试剂，通过溶剂热法制备了氟掺杂石墨烯纳米片(F-rGO)，其中含氟组分的类型可以通过石墨烯前驱体中的含氧官能团来调控，发现使用还原的氧化石墨烯纳米片(rGO)进行氟掺杂后得到C-F键主要以-CF2形式存在的氟掺杂石墨烯纳米片。本发明使用的还原的氧化石墨烯、氢氟酸等原材料廉价易得，石墨烯掺杂工艺简单、可宏量生产，所获得氟掺杂石墨烯C-F键的主要存在形式为-CF2。通过此种形式可以得到具有特定C-F键组分的氟掺杂石墨烯，在改性石墨烯材料过程中起到了示范作用(即本发明的方法在改性石墨烯材料中的应用，形成主要以-CF2的形式存在的氟掺杂石墨烯)。
附图说明
图1为以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片制备反应原理示意图。
图2为以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片的扫描电子显微镜照片。
图3为还原的氧化石墨烯和以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片的X射线光电子能谱分析谱图。
图4为还原的氧化石墨烯和以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片的红外光谱分析谱图。
图5为以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片为负极组装半电池的性能测试曲线图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明技术方案进行说明。选用还原氧化石墨烯：厚度0.55～3.74nm，纯度99wt％，rGO尺寸0.5～3μm，比表面积500～1000m2/g，生产厂家为中国科学院成都有机化学有限公司。
实施例1
以还原的氧化石墨烯和乙醇为原料配置浓度为1mg/ml的rGN乙醇分散液，加入1mL氢氟酸，超声10min混合均匀后，将混合液倒入容积为50mL聚四氟乙烯内衬的水热釜中，使用马弗炉将水热釜加热至150℃反应24h。待水热釜自然冷却至室温后，取出溶液并用离心机在10000rmp转速下离心20min，将得到的粉末重新分散于去离子水和乙醇中，反复离心数次，直到水溶液的pH达到中性。随后将得到的粉末抽滤，并放置在真空干燥箱中，60℃条件下烘干24h，得到以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片(F-rGO)。
实施例2
以还原的氧化石墨烯和乙醇为原料配置浓度为2mg/ml的rGN乙醇分散液，加入5mL氢氟酸，超声10min混合均匀后，将混合液倒入容积为50mL聚四氟乙烯内衬的水热釜中，使用马弗炉将水热釜加热至120℃反应36h。待水热釜自然冷却至室温后，取出溶液并用离心机在8000rmp转速下离心20min，将得到的粉末重新分散于去离子水和乙醇中，反复离心数次，直到水溶液的pH达到中性。随后将得到的粉末抽滤，并放置在真空干燥箱中，60℃条件下烘干24h，得到以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片(F-rGO)。
实施例3
以还原的氧化石墨烯和乙醇为原料配置浓度为3mg/ml的rGN乙醇分散液，加入10mL氢氟酸，超声10min混合均匀后，将混合液倒入容积为50mL聚四氟乙烯内衬的水热釜中，使用马弗炉将水热釜加热至180℃反应12h。待水热釜自然冷却至室温后，取出溶液并用离心机在10000rmp转速下离心20min，将得到的粉末重新分散于去离子水和乙醇中，反复离心数次，直到水溶液的pH达到中性。随后将得到的粉末抽滤，并放置在真空干燥箱中，60℃条件下烘干24h，得到以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片(F-rGO)。
实施例4
以还原的氧化石墨烯和乙醇为原料配置浓度为2mg/ml的rGN乙醇分散液，加入3mL氢氟酸，超声10min混合均匀后，将混合液倒入容积为50mL聚四氟乙烯内衬的水热釜中，使用马弗炉将水热釜加热至150℃反应24h。待水热釜自然冷却至室温后，取出溶液并用离心机在10000rmp转速下离心20min，将得到的粉末重新分散于去离子水和乙醇中，反复离心数次，直到水溶液的pH达到中性。随后将得到的粉末抽滤，并放置在真空干燥箱中，60℃条件下烘干24h，得到以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片(F-rGO)。
实施例5
以冻干的氧化石墨烯和乙醇为原料配置浓度为2mg/ml的rGN乙醇分散液，加入5mL氢氟酸，超声10min混合均匀后，将混合液倒入容积为50mL聚四氟乙烯内衬的水热釜中，使用马弗炉将水热釜加热至150℃反应24h。待水热釜自然冷却至室温后，取出溶液并用离心机在10000rmp转速下离心20min，将得到的粉末重新分散于去离子水和乙醇中，反复离心数次，直到水溶液的pH达到中性。随后将得到的粉末抽滤，并放置在真空干燥箱中，60℃条件下烘干24h，得到以-CF2为主的氟掺杂石墨烯纳米片(F-GO)。
通过以上步骤制备的氟掺杂石墨烯纳米片，采用大量含有C＝O以及C-O结构的还原的氧化石墨烯为原始碳源，以氢氟酸为氟化试剂进行氟掺杂，得到了大量-CF2和-CF结构，由于电化学惰性的-CF2比C-F单键的键解离能要大很多，从而得到C-F键主要以-CF2形式存在的氟掺杂石墨烯。在制备得到以CF2为主的氟掺杂石墨烯材料后，利用扫描电镜、红外光谱和XPS分析来说明主要以CF2为主的氟掺杂石墨烯材料的结构：
(1)通过扫描电子显微镜(SEM)对使用所制得的氟掺杂石墨烯进行形貌分析。SEM样品制备过程为将氟掺杂石墨烯粘在导电胶上，喷金处理后进行测试，SEM的型号为日立S-4800。氟化石墨烯的SEM照片如图2所示，可以看出，其平均大小为0.8—1.5μm平坦的石墨烯纳米片状结构。
(2)通过X光电子能谱(XPS)对还原的氧化石墨烯和氟掺杂石墨烯的化学成分以及基团进行表征，首先将氟化石墨烯在真空烘箱中60℃烘24小时除水，然后进行XPS测试。测试条件：激发源MgKα(1253.6eV)，功率450W，真空度10-8～10-9Torr。所使用的仪器型号为PERKIN ELMZR公司的PHI1600X光电子能谱仪。通过对比还原的氧化石墨烯(rGO)和氟掺杂石墨烯(F-rGO)C1s的XPS谱图(图3所示)，可以看出在284.4eV处对应于sp2杂化的C＝C结构峰，在285.7eV和287.1eV处的峰分别对应的为C-O和C＝O结构峰。与rGO样品的C1s谱图中该处峰的强度相比，通过水热反应制备F-rGO中C-O键和C＝O键的特征峰的强度减弱，再次证明了水热反应过程中还原反应的发生。在F-rGO的C1s光谱中288.7eV和290.3eV出现两个峰，分别对应的C-F共价键和-CF2共价键结构。根据高斯拟合峰的面积得出-CF和-CF2基团的摩尔比例为1：2。
(3)红外光谱测试方法为先将少量氟化石墨烯粉末与KBr混合，并利用研钵充分研磨均匀，然后使用粉末压片机恒压压片，最后利用傅里叶红外光谱仪进行分析测试，分析氟化石墨烯的化学结构。红外测试仪器为布鲁克光谱仪器公司生产的TENSOR27傅里叶变换红外光谱仪。图4为所制备的还原氧化石墨烯与氟掺杂石墨烯的FT-IR光谱，在rGO和F-rGO的谱图中可以看到1228cm-1处的吸收峰属于-CH(O)CH-基团的振动峰，1730cm-1处的吸收峰为C＝O羰基伸缩振动特征峰，在1625cm-1出现的吸收峰为C＝C碳碳双键的伸缩振动特征峰。这说明在rGO材料中含氧基团主要以环氧基和羰基为主。经过水热反应之后，F-rGO在1730cm-1和1228cm-1两处的特征峰强度略微降低，说明相应的含氧官能团含量的减少。然而在F-rGO中并没有观察到C-F键的伸缩振动吸收峰，分析主要是由于位于1228cm-1处环氧基团的呼吸振动峰过于强烈，覆盖了位于1260cm-1处的C-F伸缩振动峰。
将主要含CF2的氟掺杂石墨烯用作在锂离子电池负极材料的应用：
(1)采用主要含CF2的氟掺杂石墨烯、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比80：10：10混合后制备锂离子电池的负极材料；使用的电解液组成为1M LiPF6的溶液，所述溶液为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的混合溶液，两者体积比为1:1；使用的隔膜材料为celgard 3500.
(2)在上述电池中，使用的电解液组成为在制备负极材料过程中，将氟掺杂石墨烯，乙炔黑，PVDF按照质量比要求置于氮-甲基吡咯烷酮(NMP)中进行湿法研磨制备成浆料，将研磨好的浆料均匀涂布于铜箔(用作负极材料)上，放置于鼓风烘箱中50—60摄氏度下烘1～2小时，将烘好的料置于真空干燥箱中干燥24小时。
(3)组装的扣式锂离子电池为半电池，依次按负极壳、弹簧片、垫片、锂片、隔膜、负极材料、集流体、正极壳依次装配电池。装配好的电池在室温下静置24小时，让电解液充分浸润正负极材料，然后再进行相关电化学性能的测试。
图5为本发明实施例1中制备好的负极材料装配锂电池后，在100mA/g的充放电密度下，前3圈恒电流充放电曲线。可以看出在第一圈的充放电曲线中，rGO(a)和F-rGO(b)的比容量分别为1800mA hg-1和3000mA hg-1，在第一圈后比容量分别为980mA hg-1和1520mAhg-1，F-rGO电化学性能明显优于rGO。实施例1—5中，F-rGO的比容量平均为3500mA hg-1，在第一圈后比容量平均可达1500—1720mA hg-1。
根据本发明内容记载工艺参数进行调整均可制备本发明的纳米片，且表现出与实施例基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池，其特征在于，氟掺杂石墨烯、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比(75—85)：(5—15)：10混合后制备锂离子电池的负极材料；使用的电解液组成为1M LiPF6的溶液，所述溶液为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的混合溶液，两者体积比为1:1；整体电池为锂离子电池，其中氟掺杂石墨烯纳米片为主要含CF2的氟掺杂石墨烯，按照下述步骤进行制备：将还原的氧化石墨烯均匀分散在乙醇中，并加入氢氟酸后置于反应釜中，加热至120～180℃进行反应，反应后自然冷却至室温20—25摄氏度，离心水洗干燥即可。
2.根据权利要求1所述的基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池，其特征在于，在氟掺杂石墨烯纳米片中，-CF和-CF2基团的摩尔比例为1：2。
3.根据权利要求1所述的基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池，其特征在于，反应时间为12～36 h，反应温度为150—160摄氏度。
4.根据权利要求1所述的基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池，其特征在于，氢氟酸是质量分数为30—40％的HF水溶液。
5.根据权利要求1所述的基于氟掺杂石墨烯纳米片的电池，其特征在于，相对于还原的氧化石墨烯，氢氟酸用量为过量，以使氧化石墨烯的氧化基团完全或者部分发生还原转化。
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