CN111525127A - 一种石墨烯基磷化钴负极材料及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯基磷化钴负极材料及其制备和应用,采用二维结构的氧化石墨烯(GO)作为基底材料,通过制备得到的ZIF‑67与石墨烯复合,将复合材料还原后再将所得气凝胶复合材料通过煅烧磷化的方法得到石墨烯包覆磷化钴复合材料(RG@CoP)。与现有技术相比,本发明所制备的石墨烯基磷化钴负极材料作为锂离子电池负极显示了优异的电化学性能,在100mA·g‑1的充放电流下,容量可达到608mAh·g‑1,在5A·g‑1下容量为390mAh·g‑1的优异的倍率性能效率稳定在90%以上。
Description
技术领域
本发明属于负极材料技术领域,涉及一种石墨烯基磷化钴负极材料及其制备和应用。
背景技术
可充电锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、维护费用低、自放电低等优点,是目前最有发展前途的电化学储能电池技术之一。长循环寿命、低成本、高容量是二次电池技术的重要参数然而,在经典的商业锂电池中,石墨碳是最受欢迎的阳极材料,其理论比容量仅为372mA h g-1,开发高能量密度的新电极材料已成为满足日益增长的高性能需求的重要途径。
由于其单原子厚度、二维柔性结构和优异的物理化学性能,近年来在世界范围内引起了广泛的关注。大量研究表明,石墨烯或化学改性石墨烯在场效应器件、化学和生物传感器、储能材料、高分子复合材料、电催化等诸多技术领域具有巨大的潜力。人们普遍认为,石墨烯在未来的纳米技术时代发挥核心作用。但是,由于石墨烯自身的体积效应等缺陷,使得其在作为负极材料时在电化学方面仍存在缺陷。目前,比较通常的做法是将石墨烯与其他材料复合。本发明正是在以上背景下提出的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种石墨烯基磷化钴负极材料及其制备和应用。
通过此方法得到的CoP颗粒均匀地分散在石墨烯的片层上,具有工艺简单,条件温和,成本低廉等优点。本发明所制备的石墨烯基磷化钴负极材料作为锂离子电池负极显示了优异的电化学性能,在100mA·g-1的充放电流下,容量可达到608mAh·g-1,在5A·g-1下容量为390mAh·g-1的优异的倍率性能效率稳定在90%以上。该方法为石墨烯与无机材料在电化学领域的研究和应用提供了很好的实验数据和理论支持。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明的技术方案之一提出了一种石墨烯基磷化钴负极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)取2-甲基咪唑加入到甲醇中,搅拌均匀,得到溶液A;
(2)取硝酸钴加入到甲醇中,搅拌均匀,得到溶液B;
(3)将溶液B加入溶液A中,混合均匀后,密封陈化,所得陈化溶液用甲醇离心清洗,得到沉淀物干燥备用;
(4)将步骤(3)中干燥后的沉淀物加入到石墨烯溶液中,搅拌混合,再加入抗坏血酸钠,超声均匀后,静置,得到水凝胶产物;
(5)将水凝胶产物冷冻干燥后,与磷源一起置于煅烧炉中煅烧处理,即得到目的产物石墨烯基磷化钴负极材料。
进一步的,溶液B与溶液A的加入量满足:2-甲基咪唑与硝酸钴的质量比为(0.4-0.6):(0.6-0.8)。
进一步的,步骤(3)中,密封陈化的时间为48h。
进一步的,步骤(4)中,干燥后的沉淀物、石墨烯与抗坏血酸钠的质量比为2:1:(0.6-0.7)。。
进一步的,抗坏血酸按以溶液的形式加入,其浓度可以为2mg.ml-1。
进一步的,溶液B缓慢加入到溶液A的过程中,混合物将逐渐变为深***。
进一步的,步骤(4)中,静置的工艺条件为:在95℃的条件下静置2-3小时。
进一步的,步骤(5)中,所述的磷源为次磷酸钠。
进一步的,步骤(5)中,磷源与气凝胶的质量比为3-4:1。
进一步的,步骤(5)中,煅烧的条件为:在氮气气氛下,于300-400℃下处理2-4h。更进一步的,煅烧时,升温速率可以为2-3℃/min。
本发明的技术方案之二提出了一种石墨烯基磷化钴负极材料,其如上述的制备方法制备得到。
本发明的技术方案之三提出了一种石墨烯基磷化钴负极材料在制备锂离子电池中的应用。
2-甲基咪唑、硝酸钴主要通过金属离子配位和相互的熟化反应最终形成一种MOF材料-ZIF-67,ZIF-67通过在空气氛围中的煅烧可形成氧化钴,而在煅烧过程中加入磷源(次磷酸钠),煅烧后的磷源的产物和ZIF-67发生磷化反应最终形成CoP材料。
氧化石墨烯还原之后可自组装形成一种三维多孔结构,可提升材料的综合性能,本发明采用还原剂法还原(抗坏血酸钠),具体为:氧化石墨烯在加入还原剂后在95℃的条件下静置,可进一步促进氧化石墨烯的还原。
磷化时的温度条件则采用一般磷化时的低温煅烧:300-400℃,过高或者过低都会对磷化的最终效果有所影响,并且升温速度选用低速,可使磷化反应在煅烧过程中更加的充分。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明通过一步煅烧的方法制备石墨烯基磷化钴负极材料,煅烧完成后,直接得到CoP与石墨烯的复合材料,此方法高效简便;
(2)本发明以2-甲基咪唑、硝酸钴、甲醇、石墨烯、抗坏血酸钠、次磷酸钠等作为原材料,原料可设计性,成本低廉;
(3)本发明的方法制备出的石墨烯基磷化钴负极材料具有高的可逆容量,非常好的循环稳定性和倍率性能,在锂离子电池领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是实施例1得到石墨烯基磷化钴负极材料的SEM形貌图;
图2是实施例1得到石墨烯基磷化钴材料和对比例1得到的磷化钴材料作为锂离子电池负极材料的循环性能图;
图3是实施例1得到石墨烯基磷化钴材料和对比例1得到的磷化钴材料作为锂离子电池负极材料的倍率性能图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中,如无特别说明的原料或处理技术,则表明均为本领域的常规市售产品或常规处理技术。
实施例1
第一步、制备ZIF-67材料:
(1-1)首先将0.49g 2-甲基咪唑加入到50mL甲醇中搅拌均匀,得到A溶液;然后将0.68g硝酸钴加入到50mL甲醇中搅拌均匀,得到B溶液,接着将B溶液缓慢加入到A溶液当中,待搅拌均匀后将溶液装入容器中用保鲜膜封装好,陈化48h;
(1-2)48h后将所得溶液用甲醇离心清洗3-5次,控制每次离心清洗的转速为7000-9000rmp,时间7-10min,清洗完毕将所得沉淀放入真空干燥箱中去除水分。
第二步、制备石墨烯基磷化钴负极材料:
(2-1)然后将所制得的ZIF-67加入至石墨烯溶液(12mg的ZIF-67与6mg的石墨烯,石墨烯的浓度为3mg ml-1)中并长时间搅拌。将所得混合溶液中加入抗坏血酸钠溶液(其浓度为2mg ml-1,加入4ml)超声均匀,然后在95℃的烘箱中静置2小时,接着将得到的水凝胶冷冻干燥,最后将气凝胶放入煅烧炉中,与此同时将磷源(即次磷酸钠,加入量为前驱体材料质量的3倍)也放在煅烧炉中同时进行煅烧,控制煅烧的温度为350℃左右,时间为3h左右,最后得到石墨烯基磷化钴负极材料。
该石墨烯基磷化钴负极材料的形貌图如图1所示,可明显看出,复合材料的三维多孔结构,此结构可以更加充分的与电解液接触,并为锂离子的扩散提供更加便捷的通道,从而提高导电性。b中可以看出CoP纳米颗粒均匀的分散在石墨烯片层上,纳米级别的颗粒可有效抑制其体积效应,并且活性物质可得到更快的扩散从而提高性能。
(2-2)以所得复合材料作为锂离子电池负极材料组装成锂离子纽扣式半电池,通过将气凝胶复合材料压片作为锂电池负极材料,使用纯锂片作为对电极。利用纽扣式半电池进行电化学测试,其循环性能图和倍率性能图分别如图2、3所示,在100mA mg-1的电流密度下,拥有较高而又稳定的容量,在经过50圈的循环之后依旧能保持600mAh mg-1的容量,并且能一直保持95%以上的库伦效率。
通过图3可看出复合材料拥有出色的倍率性能,并且在电流密度达到5mA mg-1时依旧能达到400mAh mg-1的容量。在每个电流密度下均保持了优异的稳定性。
对比例1:
与实施例1相比,绝大部分都相同,除了不添加石墨烯。
结合图2和图3可知,相比于实施例1,对比例1中省去了石墨烯这一成分,最后所得到的复合材料的循环性能与倍率性能都有着明显下降。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯基磷化钴负极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)取2-甲基咪唑加入到甲醇中,搅拌均匀,得到溶液A;
(2)取硝酸钴加入到甲醇中,搅拌均匀,得到溶液B;
(3)将溶液B加入溶液A中,混合均匀后,密封陈化,所得陈化溶液用甲醇离心清洗,得到沉淀物干燥备用;
(4)将步骤(3)中干燥后的沉淀物加入到石墨烯溶液中,搅拌混合,再加入抗坏血酸钠,超声均匀后,静置,得到水凝胶产物;
(5)将水凝胶产物冷冻干燥后,与磷源一起置于煅烧炉中煅烧处理,即得到目的产物石墨烯基磷化钴负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基磷化钴负极材料的制备方法,其特征在于,溶液B与溶液A的加入量满足:2-甲基咪唑与硝酸钴的质量比为(0.4-0.6):(0.6-0.8)。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯基磷化钴负极材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,密封陈化的时间为48h。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯基磷化钴负极材料的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,干燥后的沉淀物、石墨烯与抗坏血酸钠的质量比为2:1:(0.6-0.7)。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯基磷化钴负极材料的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,静置的工艺条件为:在95℃的条件下静置2-3小时。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯基磷化钴负极材料的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述的磷源为次磷酸钠。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯基磷化钴负极材料的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,磷源与气凝胶的质量比为3-4:1。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯基磷化钴负极材料的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,煅烧的条件为:在氮气气氛下,于300-400℃下处理2-4h。
9.一种石墨烯基磷化钴负极材料,其采用如权利要求1-8任一所述的制备方法制备得到。
10.如权利要求9所述的一种石墨烯基磷化钴负极材料在制备锂离子电池中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200811 |
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