[發(fā)明專利]一種花球狀石墨烯材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2022-09-01
• 公開（公告）號: CN115440977A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 莫潤偉;王健農(nóng);張玉;劉騰;施旭萌;劉騰飛;鄧博文
• 申請（專利權(quán)）人: 華東理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M4/133;H01M4/1393;H01M10/054;C01B32/186
• 代理公司: 北京慕達(dá)星云知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 楊倩

本發(fā)明公開了一種花球狀石墨烯材料及其制備方法和應(yīng)用。該花球狀石墨烯材料由多個二維花瓣?duì)钇瑢咏Y(jié)構(gòu)組成，具有三維孔道結(jié)構(gòu)，所述花球狀石墨烯材料的直徑為10μm～25μm。其制備方法為：將金屬無機(jī)鹽與氫氧化物進(jìn)行水浴攪拌反應(yīng)，在100?150℃恒溫2?24小時，得到模板劑材料；采用化學(xué)氣相沉積法將碳源沉積到模板劑材料上，然后采用刻蝕劑去除模板劑，得到花球狀石墨烯。本發(fā)明公開花球狀石墨烯具有三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有更大的比表面積，可以為陰離子的脫/嵌提供更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)，提高正極材料的比容量，還可以有效緩解陰離子在脫/嵌過程中引起的體積變化，提高正極材料的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說是涉及一種花球狀石墨烯材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

電動汽車和便攜式電子市場的高需求推動了低成本、高性能的先進(jìn)儲能技術(shù)的發(fā)展。由于雙離子電池具有綠色環(huán)保、工作電壓高、生產(chǎn)成本低，因此是一種新型具有潛力的電化學(xué)儲能器件。以基于電解液為NaPF₆的鈉基雙離子電池為例，其工作原理如下：在充電過程中，電解液中的陽離子Na⁺遷移向負(fù)極材料，陰離子PF₆^-遷移向正極并嵌入正極材料中；在放電過程中，陽離子Na⁺、陰離子PF₆^-則分別從負(fù)、正極中脫出，回到電解液中。因此，研究合適的正極材料以滿足陰離子PF₆^-的高效脫嵌對于開發(fā)高性能鈉基雙離子電池至關(guān)重要。

目前常用的雙離子電池正極材料是石墨，由于PF₆^-在充電過程中僅僅嵌入到石墨的表層，導(dǎo)致石墨材料無法得到充分的利用，因此表現(xiàn)出較低的理論容量和較差的倍率性能。石墨烯的化學(xué)性質(zhì)與石墨很相似，是一種新興且獲得廣泛關(guān)注的二維材料，與石墨相比，具有更優(yōu)異的導(dǎo)電性，更薄的片層結(jié)構(gòu)，更大的比表面積，可以提供更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)和更優(yōu)異的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，用于雙離子電池的正極時可以提高活性物質(zhì)的利用率。

因此，合理設(shè)計(jì)具有大比表面積、多活性位點(diǎn)的石墨烯材料具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明目的之一是提供一種具有多級微納結(jié)構(gòu)的花球狀石墨烯。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種花球狀石墨烯材料，所述花球狀石墨烯材料由多個二維花瓣?duì)钇瑢咏Y(jié)構(gòu)組成，具有三維孔道結(jié)構(gòu)，所述花球狀石墨烯材料的直徑為10μm～25μm。

本發(fā)明目的之二是提供一種上述花球狀石墨烯的制備方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種花球狀石墨烯材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)模板劑的制備：將金屬無機(jī)鹽水溶液與氫氧化物水溶液進(jìn)行水浴攪拌反應(yīng)，在100-150℃恒溫2-24小時，取出反應(yīng)樣品清洗后收集得到模板劑；

(2)花球狀石墨烯制備：采用化學(xué)氣相沉積法將碳源沉積到模板劑上，得到石墨烯與催化劑模板的復(fù)合物；然后采用刻蝕劑去除所述石墨烯與催化劑模板的復(fù)合物中的催化劑模板，得到花球狀石墨烯。

優(yōu)選的，所述金屬無機(jī)鹽為硝酸鈣、氯化鈣、氯化鎳、硝酸錳、氯化錳、硫酸錳、氯化鋅、氯化鉬、氯化鈷、硝酸鎂、氯化鎂、硝酸鋁、氯化鋁中的至少一種；所述氫氧化物為氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鎂、氫氧化鋰中的至少一種；所述金屬無機(jī)鹽水溶液和氫氧化物水溶液的濃度均為0.2mol/L～2mol/L，所述催化劑模板為氧化鋁、氧化鎳、氧化鎂、氧化錳、氧化鋅、氧化鉬、氧化鈷、氧化鐵中的至少一種。

優(yōu)選的，步驟(2)中沉積條件為：在溫度500-1200℃下恒溫1-12小時，然后自然冷卻至室溫。