[發(fā)明專(zhuān)利]一種N,S雙摻雜石墨烯作為鋁離子電池正極的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310495561.2
• 申請(qǐng)日: 2023-05-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN116598597A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉興軍;李嘉慧;涂少波;曾凡帥
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）;江西國(guó)創(chuàng)院新材料有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M10/058
• 分類(lèi)號(hào): H01M10/058;H01M10/054;H01M4/36;H01M4/587;H01M4/04;H01M4/133;H01M4/1393;H01M4/62;C01B32/184
• 代理公司: 北京鼎云升知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11495
• 代理人: 呂玉健

本發(fā)明提供了一種N,S雙摻雜石墨烯作為鋁離子電池正極的方法，屬于二次電池技術(shù)領(lǐng)域，包括N,S雙摻雜石墨烯材料的制備、鋁離子電池正極片的制備、鋁離子電池組裝及測(cè)試方法。利用本發(fā)明的方法制備得到的一系列氮，硫摻雜量可調(diào)，比表面積不同的碳材料，大的比表面積、適當(dāng)?shù)目追植技昂线m的摻雜量協(xié)同起來(lái)，使得氮，硫雙摻雜的石墨烯作為鋁離子電池正極材料，組裝鋁離子電池得到了優(yōu)異的電化學(xué)表現(xiàn)。其豐富的孔結(jié)構(gòu)能夠緩解電化學(xué)反應(yīng)在充放電過(guò)程中體積的脹縮，保證整個(gè)電極的穩(wěn)定性。異質(zhì)元素的摻雜可以提供更多的活性位點(diǎn)，有利于對(duì)AlClsubgt;4/subgt;supgt;?/supgt;產(chǎn)生化學(xué)吸附作用，從而提高電池的比容量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于二次電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種N,S雙摻雜石墨烯作為鋁離子電池正極的方法。

背景技術(shù)

隨著人類(lèi)對(duì)能源需求的逐漸增加，傳統(tǒng)化石能源在儲(chǔ)量、環(huán)境污染、能源效率和成本方面的限制日益突出。尋找并研究可替代化石能源的清潔能源已成為世界范圍內(nèi)的共同主題，這也是未來(lái)能源發(fā)展的一大趨勢(shì)。可再生能源被認(rèn)為是解決環(huán)境問(wèn)題，尤其是減少碳排放的有效方法，并且可能是未來(lái)人類(lèi)能源需求的最重要解決方案之一。電能作為一種最為常用的能源形式，支撐了人類(lèi)文明的發(fā)展進(jìn)程。電能可以由多種能源形式轉(zhuǎn)化而來(lái)，如何將轉(zhuǎn)化后的電能進(jìn)行有效地存儲(chǔ)和再利用是發(fā)展綠色能源技術(shù)的重要課題。電池作為一種能夠?qū)⒛芰吭陔娔芎突瘜W(xué)能間轉(zhuǎn)換的裝置，是實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)的最佳手段之一。近年來(lái)，電池尤其是鋰離子電池作為大規(guī)模儲(chǔ)能器件應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品(例如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等)及電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域，由此可見(jiàn)，電池的出現(xiàn)已成為未來(lái)可再生能源大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵。同時(shí)，2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了鋰離子電池領(lǐng)域，該獎(jiǎng)項(xiàng)的授予一方面是對(duì)鋰電行業(yè)乃至整個(gè)電池領(lǐng)域的極大肯定與激勵(lì)，另一方面也使大家意識(shí)到電池儲(chǔ)能的重要性和優(yōu)越性。在每個(gè)領(lǐng)域追求多元化發(fā)展的今天，電池領(lǐng)域也相繼不斷有新的體系涌現(xiàn)。其中，鋁離子電池作為一個(gè)繼鋰離子電池之后崛起的新星，并有望成為未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能器件的候選者之一，近年來(lái)也得到了諸多研究者的關(guān)注。

與鋰離子電池相比，鋁離子電池更安全、更便宜，并可以提供更高的能量密度。首先，金屬鋁沒(méi)有鋰活潑，可以暴露在空氣中，不會(huì)造成爆炸的危險(xiǎn)；鋁是地殼中含量最豐富的金屬(Al?ca.8％vs?Li?ca.0.0065％)。此外，由于鋁離子電池在電化學(xué)過(guò)程中可以交換三個(gè)電子，因此，鋁離子電池的體積容量(8046mAh?cm^-3)是鋰離子電池體積容量(2062mAhcm^-3)的四倍之多。雖然鋁離子電池有上述優(yōu)勢(shì)，但目前鋁離子電池的研究?jī)H僅處于起步階段，限制鋁離子電池發(fā)展的一個(gè)重要原因是缺乏能夠容納鋁離子嵌入/脫出的正極材料。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種N,S雙摻雜石墨烯作為鋁離子電池正極的方法。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，大的比表面積、適當(dāng)?shù)目追植技昂线m的摻雜量協(xié)同起來(lái)，使得氮，硫雙摻雜的石墨烯作為鋁離子電池正極材料，組裝鋁離子電池得到了優(yōu)異的電化學(xué)表現(xiàn)。其豐富的孔結(jié)構(gòu)能夠緩解電化學(xué)反應(yīng)在充放電過(guò)程中體積的脹縮，保證整個(gè)電極的穩(wěn)定性。異質(zhì)元素的摻雜可以提供更多的活性位點(diǎn)，有利于對(duì)AlCl₄^-產(chǎn)生化學(xué)吸附作用，從而提高電池的比容量。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種N,S雙摻雜石墨烯作為鋁離子電池正極的方法，包括N,S雙摻雜石墨烯材料的制備、鋁離子電池正極片的制備、鋁離子電池組裝及測(cè)試方法：

(1)N,S雙摻雜石墨烯材料的制備：包括將C₃N₄、無(wú)水葡萄糖、二硫代草酰胺和無(wú)水乙醇進(jìn)行球磨，得到混合物；將所述混合物進(jìn)行真空干燥，隨后，在惰性氣體氣氛下以3℃min^-1的升溫速率加熱至700℃保持3h，接著以4℃min^-1的升溫速率加熱至800～1000℃保持3h，即得到N，S共摻雜的石墨烯；