[發明專利]基于自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜的鈉電池

在審

• 申請號: 201710084011.6
• 申請日: 2017-02-16
• 公開（公告）號: CN108448164A
• 公開（公告）日: 2018-08-24
• 發明（設計）人: 封偉;陳昱霖;李瑀
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M10/054
• 分類號: H01M10/054;H01M4/583
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發明公開基于自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜的鈉電池，鈉為負極，碳酸亞乙酯/碳酸二甲酯的高氯酸鈉溶液為電解質溶液，自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜為正極。在自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜的制備中，將均勻分散有氧化石墨烯的去離子水均勻設置在基底上，形成液膜，在空氣氣氛中干燥，得到氧化石墨烯薄膜；將氧化石墨烯薄膜浸入到由乙腈和氫氟酸所組成的混合液中，密閉加熱保溫，以實現氟氮元素對氧化石墨烯薄膜的摻雜。本發明采用了鑄型干燥法制備得到的氧化石墨烯，不僅克服了真空過濾法耗時的缺點，也使得制備得到的氧化石墨烯具有更好的機械性能和韌性，鈉離子電池具有優異的電學性能。

技術領域

本發明屬于儲能材料技術領域，更加具體地說，涉及一種基于自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜的鈉電池。

背景技術

鈉離子電池因為全球豐富的鈉資源和與鋰離子電池相同的儲能機理而被認為最有希望在未來取代鋰離子電池的位置。然而鈉離子過大的離子半徑則對鈉離子電池的電極材料提出了近乎苛刻的要求。氟氮摻雜石墨烯材料因為其既具有普通碳材料較大的層間距，又具有優良的電導率和電化學活性，而被認為是目前最有發展前景的鈉離子電池的電極材料。

發明內容

本發明的目的在于克服現有碳材料的缺陷，提供一種基于自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜的鈉電池，使用自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜并提供自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜材料及其制備方法，該方法操作簡單，快速環保。制備得到的自支撐氟碳摻雜石墨烯膜具有良好的機械性能和微觀結構，由其制備得到的電極具有較好的韌性，適用于作為可折疊鈉離子電池的電極材料，在可穿戴電子設備領域擁有廣闊的應用前景。

自支撐氟氮摻雜石墨烯是通過對氧化石墨烯進行水熱處理而得到的，傳統的氧化石墨烯是通過真空過濾法制備得到的。而我們則采用了鑄型干燥法制備得到的氧化石墨烯，不僅克服了真空過濾法耗時的缺點，也使得制備得到的氧化石墨烯具有更好的機械性能和韌性。而自支撐氟氮摻雜石墨烯膜的摻雜程度和機械性能也可以通過水熱溫度來進行調節，從而實現了氟氮摻雜石墨烯材料的可控制備。

一種基于自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜的鈉電池，鈉為負極，自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜為正極，碳酸亞乙酯/碳酸二甲酯的高氯酸鈉溶液為電解質溶液，其中碳酸亞乙酯和碳酸二甲酯的體積比為1:1，高氯酸鈉的濃度為1mol/L；自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜中，氮元素的摻雜量平均可達2—9.5％，氟元素的摻雜量平均可達1—2％，并按照下述步驟進行制備：

步驟1，將均勻分散有氧化石墨烯的去離子水均勻設置在基底上，形成液膜，在空氣氣氛中50—80攝氏度下干燥，得到氧化石墨烯薄膜；

在步驟1中，干燥時間為20—24小時。

在步驟1中，將氧化石墨烯超聲振蕩分散在去離子水中，得到2—10mg/mL的氧化石墨烯水溶液(即氧化石墨烯溶解形成棕色溶液)。

步驟2，將氧化石墨烯薄膜浸入到由乙腈和氫氟酸所組成的混合液中，密閉加熱至90—180攝氏度，不含90攝氏度和180攝氏度兩個端點，保溫24—48小時，以實現氟氮元素對氧化石墨烯薄膜的摻雜；由乙腈和氫氟酸所組成的混合液中，氫氟酸為質量百分數為40—50％氫氟酸的水溶液，乙腈和氫氟酸的體積比為(20—30)：(1—5)。

在步驟2中，密閉加熱至100—150攝氏度，保溫24—36小時。

在步驟2中，乙腈和氫氟酸的體積比為(20—25)：(1—3)。

在步驟2中，乙腈的純度為99％。

在完成氟氮元素對氧化石墨烯薄膜的摻雜后，將產物冷卻至室溫后用去離子水除去殘余試劑，之后在真空干燥箱中以50—60℃干燥20—24h。

利用上述方案得到的自支撐氟氮摻雜石墨烯薄膜材料切成固定尺寸的圓盤，即可得到自支撐氟氮摻雜石墨烯電極，與金屬鈉、碳酸亞乙酯/碳酸二甲酯的高氯酸鈉溶液為電解質組裝成鈉離子電池。