CN113548650A - 一种气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法,配位有机物溶液加入金属盐溶液中,搅拌均匀,蒸发水分,得配合物粉末,置于管式炉中,抽真空,通入氩气或氮气,一定温度下保温,得气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料;混匀该金属颗粒材料和磷源,管式炉中,抽真空,通入氢氩混合气,保温,冷却,制得气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料。该制备方法能有效提高活性材料的利用率,石墨烯的高导电性促进电子/钠离子的传输,并在长时间循环后保持良好的稳定性,中空结构的金属磷化物可以缓解脱嵌钠离子过程中的体积效应,从而实现优异的储钠性能。
Description
技术领域
本发明属于电极材料制备技术领域,涉及一种气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法。
背景技术
最近几年,在“绿色”技术的推动下,锂离子电池己从便携式产品扩展到大规模应用,尤其是电动车领域。但地球上锂资源不能满足人类日益增长的需求。钠元素与锂元素在周期表中属于同族,与锂有着许多相似的化学性质,并且钠资源的存储量更为丰富。因此,钠离子电池也受到人们的关注。钠离子电池很大程度上依赖于电池材料的结构和性能。电极材料是电池的核心组成部分,钠离子电池的价格和性能主要取决于阳极材料的选择。
近年来,一系列新的阳极材料,包括金属磷化物、金属硫化物和金属氧化物,都得到了广泛的开发和利用。与金属硫化物和金属氧化物相比,金属磷化物材料具有较高的理论容量、较低的氧化还原电压,被认为是一种理想的电极材料。然而较差的导电性和充放电过程中过大的体积变化,成为其实际应用的瓶颈问题。中空结构可以显著缓解充放电过程中的体积变化,但中空结构堆叠会导致实际稳定性差(30%~50%),倍率性能(10%~30%)和比容量较低(~100 mAh/g)的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法,制得稳定性较好,倍率性能和比容量较高的电极材料。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:一种气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法,具体按以下步骤进行:
1)按10~100mL去离子水中加入1mmol金属盐的比例,将金属盐完全溶解于去离子水中,形成金属盐溶液;
按10~100mL去离子水中加入15g配位有机物的比例,将配位有机物完全溶解于去离子水中,形成配位有机物溶液;
然后,将配位有机物溶液缓慢加入金属盐溶液中,在10~40℃温度下磁力搅拌1~5小时,充分混合,得前驱体溶液;
金属盐采用硝酸钴、硝酸镍、硝酸铁、氯化钴、氯化镍、氯化铁、乙酸钴、乙酸镍或乙酸铁。
配位有机物采用聚乙烯吡咯烷酮、聚多巴胺或聚乙烯醇。
2)将前驱体溶液转移至旋转蒸发仪中,60~120 ℃温度下保温10~24小时,待水完全蒸发后,得配合物粉末;
3)将配合物粉末置于管式炉中,抽真空后,通入氩气或氮气,调节气体流量为10sccm~100sccm,以1~10℃/min 的升温速率升温至300~800℃,保温1~4h,自然冷却至室温,得气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料;
4)按质量比1︰0.1~5,分别取气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料和磷源,混合均匀,置于管式炉中,抽真空后,通入氢氩混合气,该混合气中氢气与氩气的体积比为1 : 5~10,以1~10℃/min的升温速率升温至200~600℃,保温1h~4h,自然冷却至室温,制得气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物复合电极材料。
磷源采用NaH2PO2·H2O、Na2HPO4·12H2O或NaH2PO4·2H2O。
本发明制备方法将金属盐和配位有机物溶解形成配合物,通过旋转蒸发的方式获得干燥的配合物粉末,将该粉末置于管式炉中进行还原处理,在高温下将有机物转化为氮掺杂的石墨烯,并利用金属盐高温分解产生的气体制备气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料,将该材料进一步进行磷化处理,得到气泡膜状石墨烯包覆中空结构金属磷化物复合电极材料。本发明主要通过原位分解和化学气相沉积的方法,制备气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料,有效提高活性材料的利用率。石墨烯的高导电性促进电子/钠离子的传输,并在长时间循环后保持良好的稳定性,中空结构的金属磷化物可以缓解脱嵌钠离子过程中的体积效应,从而实现优异的储钠性能。
本发明制备方法在中空结构金属磷化物表面包覆了石墨烯,将中空结构金属磷化物与二维石墨烯复合形成类似气泡膜的结构。解决了钠离子电池中金属磷化物纳米颗粒发生团聚导致的钠离子扩散路径较长、在脱嵌钠离子过程中体积变化较大引起的结构破坏进而恶化性能的问题。同时,与单纯石墨烯包覆相比,氮掺杂可以显著增强碳材料的电子传导性能。因此本方法利用金属盐高温分解产生的气体制备气泡状中空结构金属磷化物,采用含氮的有机物碳化的方法得到在中空结构金属磷化物表面包覆氮掺杂石墨烯形成类似气泡膜的结构,石墨烯包覆层可以增强电导率,缓冲体积变化,中空结构促进电解液的扩散,缩短离子传输路径,实现优异的倍率性能及循环稳定性。
本发明制备方法具有以下优点:
1)将中空结构的金属磷化物与二维石墨烯结构复合形成类似气泡膜的结构,二维石墨烯包覆在提高稳定性的同时,有效地阻碍了纳米颗粒的团聚,且二维结构优化了电极材料的长程导电性。
2)金属磷化物为中空结构,一方面,具有孔隙的中空结构有利于电解液进入中空结构内部,提高了电极材料的利用率;另一方面,中空结构较大的孔体积和比表面积在电化学过程中提供了更多的活性位点,有效缩短离子的扩散路径,缓解充放电过程中的体积效应。
3)采用化学合成的方法,工艺简单、操作容易、成本低廉、重复性好、便于工业化生产。用本发明制备方法制得的电极材料制成的钠离子电池性能优异,实际比容量可达到220mAh/g,倍率性能可达到54.5%,在1A/g的电流密度下循环500次后,比容量可达到133mAh/g。
附图说明
图1为实施例1制备的金属磷化物电极材料的扫描图。
图2为实施例1制备的金属磷化物电极材料的透射图。
图3为实施例1制备的金属磷化物电极材料的充放电曲线。
图4为实施例1制备的金属磷化物复合电极材料在1A/g的电流密度下的循环稳定性曲线。
具体实施方式
本发明阐述了一种气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法,通过原位分解和化学气相沉积的方法制备出新型的气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料,本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,还包括各具体实施方式间的任意组合。
实施例1
将1mmol硝酸铁完全溶解于35mL去离子水中,形成硝酸铁溶液;将15g聚乙烯吡咯烷酮完全溶解于60mL去离子水中,形成聚乙烯吡咯烷酮溶液;然后将聚乙烯吡咯烷酮溶液缓慢倒入硝酸铁溶液中,在25℃温度下磁力搅拌4小时,充分混合,得前驱体溶液;将前驱体溶液转移至旋转蒸发仪中,80℃温度下保温16小时,待水完全蒸发后,得配合物粉末;将配合物粉末置于管式炉中,抽真空后,通入流量为50sccm的氩气,以3℃/min的升温速率升温至600℃,保温3h,自然冷却至室温,得气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料;按质量比1︰2,混合该气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料和NaH2PO2·H2O,置于管式炉中,抽真空后,通入按体积比1 : 9由氢气和氩气组成的氢氩混合气,以5℃/min的升温速率升温至400℃,保温2h,自然冷却至室温,制得气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物复合电极材料。
本发明制备方法利用金属盐和配位有机物形成配合物,在磷化前添加高温退火程序,利用金属盐高温分解产生的气体制备气泡膜状结构材料,该材料有效提高活性材料的利用率,导电性能和稳定性优异,可作为理想的钠离子电池电极材料。
实施例1制得的金属磷化物复合电极材料的扫描图,如图1所示。图中显示,金属磷化物呈现气泡状纳米微球,形成中空结构,石墨烯相互交联形成三维结构,包覆在金属磷化物表面,形成均匀的碳层。说明本发明制备方法可有效制备出具有气泡膜状结构的电极材料。
图2是实施例1制得的金属磷化物复合电极材料的透射图。从图2可以看出,金属磷化物颗粒存在明显衬度,心部较壳层明亮,说明制备的纳米颗粒为气泡状中空结构,表面包覆的石墨烯清晰可见,颗粒直径约40nm。
将实施例1制得的金属磷化物复合电极材料作为电极,组装钠离子电池,进行电化学性能测量。得到图3所示的该金属磷化物复合电极材料的充放电曲线图。测量过程中采用不同的电流密度,图3中的“1”表示电流密度为0.1 A/g,“2”表示电流密度为0.2A/g,“3”表示电流密度为0.5A/g,“4”表示电流密度为1A/g,“5”表示电流密度为2A/g。从图3可以看出,电流密度为0.1A/g时,其最高比容量可达到 220mAh/g,当电流密度为2A/g时,其比容量仍旧可达到 120 mAh/g,倍率性能可达到54.5%。
实施例1制备的金属磷化物复合电极材料在1A/g的电流密度下的循环稳定性曲线图,如图4所示。循环稳定性测试表明,在1A/g的电流密度下循环500次后,比容量可达到133mAh/g,证明其优异的稳定性。说明本发明制备方法制得的金属磷化物复合电极材料作为电极,可以显著地提高钠电池的比容量。
实施例2
将1mmol氯化钴完全溶解于10mL去离子水中,形成氯化钴溶液;将15g聚多巴胺完全溶解于100mL去离子水中,形成聚多巴胺溶液;然后将聚多巴胺溶液缓慢倒入氯化钴溶液中,在10℃温度下磁力搅拌5小时,充分混合,得前驱体溶液;将前驱体溶液转移至旋转蒸发仪中,60℃温度下保温24小时,待水完全蒸发后,得配合物粉末;将配合物粉末置于管式炉中,抽真空后,通入流量为10sccm的氮气,以1℃/min的升温速率升温至300℃,保温4h,自然冷却至室温,得气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料;按质量比1︰0.1,混合该气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料和Na2HPO4·12H2O,置于管式炉中,抽真空后,通入按体积比1 : 5由氢气和氩气组成的氢氩混合气,以1℃/min的升温速率升温至200℃,保温1h,自然冷却至室温,制得气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物复合电极材料。
实施例3
将1mmol乙酸镍完全溶解于100mL去离子水中,形成乙酸镍溶液;将15g聚乙烯醇完全溶解于10mL去离子水中,形成聚乙烯醇溶液;然后将聚乙烯醇溶液缓慢倒入乙酸镍溶液中,在40℃温度下磁力搅拌1小时,充分混合,得前驱体溶液;将前驱体溶液转移至旋转蒸发仪中,120℃温度下保温10小时,待水完全蒸发后,得配合物粉末;将配合物粉末置于管式炉中,抽真空后,通入流量为100sccm的氩气,以10℃/min的升温速率升温至800℃,保温1h,自然冷却至室温,得气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料;按质量比1︰5,混合该气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料和NaH2PO4·2H2O,置于管式炉中,抽真空后,通入按体积比1 : 10由氢气和氩气组成的氢氩混合气,以10℃/min的升温速率升温至600℃,保温4h,自然冷却至室温,制得气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物复合电极材料。
Claims (5)
1.一种气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法,其特征在于,该制备方法具体按以下步骤进行:
1)按10~100mL去离子水中加入1mmol金属盐的比例,将金属盐完全溶解于去离子水中,形成金属盐溶液;
按10~100mL去离子水中加入15g配位有机物的比例,将配位有机物完全溶解于去离子水中,形成配位有机物溶液;
然后,将配位有机物溶液缓慢加入金属盐溶液中,在10~40℃温度下磁力搅拌,充分混合,得前驱体溶液;
2)将前驱体溶液在60~120 ℃温度下保温,水完全蒸发后,得配合物粉末;
3)将配合物粉末置于管式炉中,抽真空后,通入氩气或氮气,升温至300~800℃,保温1~4h,自然冷却至室温,得气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料;
4)按质量比1︰0.1~5,分别取气泡膜状石墨烯包覆金属颗粒材料和磷源,混合均匀,置于管式炉中,抽真空后,通入氢氩混合气,升温至200~600℃,保温1~4h,自然冷却至室温,制得气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物复合电极材料。
2.如权利要求1所述的气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中,金属盐采用硝酸钴、硝酸镍、硝酸铁、氯化钴、氯化镍、氯化铁、乙酸钴、乙酸镍或乙酸铁。
3.如权利要求1所述的气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中,配位有机物采用聚乙烯吡咯烷酮、聚多巴胺或聚乙烯醇。
4.如权利要求1所述的气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法,其特征在于,所述步骤3)中,通入氩气的流量为10sccm~100sccm,或者,通入氮气的流量为10sccm~100sccm。
5.如权利要求1所述的气泡膜状石墨烯包覆金属磷化物电极材料的制备方法,其特征在于,所述步骤4)中,氢氩混合气中氢气与氩气的体积比为1 : 5~10。
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