[發明專利]一種鉍烯/石墨烯復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210513758.X
• 申請日: 2022-05-11
• 公開（公告）號: CN114899388A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 張存良;陳正原;柳彥梅;王鑫;董帥;張永亞;胡新成;魏偉
• 申請（專利權）人: 商丘師范學院;商丘醫學高等專科學校
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M4/36;H01M10/054
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張真真

本發明提供了一種鉍烯/石墨烯復合材料及其制備方法和應用，將金屬鉍粉加入溶劑得到混合液；將混合液于冰水浴中超聲、離心收集上清液；往上清液中加入還原劑，離心、洗滌，真空冷凍干燥，得到純相的鉍烯納米片；將得到的鉍烯分散到除氧的去離子水中，與氧化石墨烯混合，超聲分散均勻，進行真空過濾抽膜；所得薄膜放入反應釜內襯中，加入還原劑反應，得到鉍烯/石墨烯復合材料。復合材料中二維鉍烯具有超薄的片層結構，鉍烯厚度為0.5?2nm，與石墨烯復合成膜，疏松多孔。所得到的復合材料比表面積大，可與電解液充分接觸浸潤，且復合材料優異的柔韌性，可以緩解金屬鉍在充放電過程中的體積膨脹，提高材料的倍率性能和循環穩定性。

技術領域

本發明涉及一種鉍烯/石墨烯復合材料及其制備方法和應用，屬于鉀離子電池技術領域。

背景技術

最近這二十年，鋰離子電池行業得到飛速發展，很多人關注并研究鋰離子電池。人們的生活充滿各種鋰離子電池，如：手機、汽車、玩具等。然而，鋰資源在全球的分布十分不均勻（主要集中在南美洲），且鋰資源的豐量也不高。這就導致鋰資源價格越來越高，使其儲能領域的優勢越來越不明顯。正是這樣種種原因，導致越來越多的人轉而研究與鋰同一主族的鉀。K/K⁺的還原電勢低，電池電壓和電池能量密度大；K⁺與溶劑分子相互作用較弱，溶劑化鉀離子擁有更小的Stokes半徑，使K⁺在電解質溶液中擴散速率快和摩爾電導率良好。鉀離子電池開始逐步替代鋰離子電池，成為儲能領域的新發展方向。合金型電極具有理論比容量高的優點，受到研究人員的關注。人們對二維材料的研究，逐漸從二硫化物向第五主族拓展。其中，合金型負極材料鉍（Bi）就具有382mAhg^-1的理論比容量。但在鉍合金化/去合金化的過程中，鉍的體積膨脹問題突出，易導致活性物質粉化，脫落，造成電池循環穩定性大幅度降低。

中國的鉍儲量居于世界第一，中國對鉍具有絕對優勢。鉍作為安全的“綠色金屬”，可用于醫藥、化工、電子等領域。鉍烯的低熱導率的因素，可用于熱電材料。鉍烯具有皺褶的層狀晶體結構，由六元環組成，較大的層間通道（3.979 ?）有利于半徑大的離子脫嵌。可通過鉍烯的方法，解決鉍銻基膨脹巨大的問題，進而提高電池性能。并且，至今還沒有一種合成簡單，易操作的制備鉀離子電池負極材料的方法，且這可為制備其他負極材料提供參考價值。

發明內容

針對現有技術中存在的問問題，本發明提供一種鉍烯/石墨烯復合材料及其制備方法和應用，鉍烯/石墨烯復合材料呈膜狀，材料疏松多孔且具柔韌性，可以有效緩解鉍在充放電過程中的體積膨脹，增大與電解液的接觸面積，大幅度提高電池電化學性能。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種鉍烯/石墨烯復合材料的制備方法，步驟如下：

（1）將金屬鉍粉先置于容器中，加入溶劑在冷水浴中進行超聲波粉碎，然后離心收集上清液；

（2）為了得到純相的鉍烯納米片，往步驟（1）得到的上清液中加入還原劑，并不斷攪拌，然后離心、洗滌，真空冷凍干燥得到鉍烯；

（3）將步驟（2）得到的鉍烯分散到除氧的去離子水中，與氧化石墨烯混合，超聲分散均勻，進行真空過濾抽膜得到薄膜；

（4）將抽濾所得薄膜放入反應釜內襯中，然后加入還原劑進行反應，得到鉍烯/石墨烯復合材料。

步驟（2）加還原劑，是因為鉍金屬粉在進行超聲粉剝片時，會發生氧化，Bi轉化為BiO_x。步驟（3）將鉍烯分散在除氧的去離子水中，也是為了防止鉍烯被氧化。

進一步，所述步驟（1）中以0.5g金屬鉍粉為基準，轉移到容器中加入200 mL溶劑，超聲時間：8-30h。所述溶劑為去離子水、N-甲基吡咯烷酮的一種或兩種的混合物，離心轉速為300-2000 rpm。

進一步，所述步驟（2）中的還原劑為水合肼、硼氫化鈉、甲醛、乙二醇、抗壞血酸、異丙醇、葡萄糖的一種或幾種以上的混合物。還原劑的用量以溶液顏色變黑并微過量為終點。