一種石墨烯/磷化銦複合電極材料及其製備方法與流程
2023-06-02 00:16:41 2
本發明涉及鋰離子電池電極材料製備技術領域，具體涉及一種石墨烯/磷化銦複合電極材料及其製備方法。
背景技術：
鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長且無記憶效應等優點而被廣泛應用於可攜式電子設備中。近幾年，電動設備的發展對鋰離子電池的功率密度和能量密度提出了更高的要求，而電極材料是鋰離子電池性能提高的決定性因素。但目前商業化的鋰離子電池負極材料石墨理論容量偏低，限制了鋰離子電池電化學性能的提高，因此設計和製備高性能鋰離子電池負極材料是滿足鋰離子電池向電動設備發展的關鍵因素。
磷化銦(InP)，作為鋰離子電池負極材料，其理論容量高，電化學活性高，存在特殊的電化學嵌鋰性能，作為鋰離子電池負極材料極具潛力。但在充放電過程中，由於脫鋰/嵌鋰產生的應力使得磷化銦結構發生膨脹塌陷，活性位點減少，導致放電容量的迅速衰減。磷化銦的納米化和與碳材料複合是兩種改善材料電學性能的方法。然而目前僅有磷化銦與碳材料複合的相關報導，尚無報導磷化銦與石墨烯的複合方法。
石墨烯由於具有超高的導電性、超大的比表面積和穩定的機械性能等諸多特性展現出各種潛在應用價值，是當前科學領域研究的熱點。如果能將磷化銦納米顆粒負載於石墨烯的表面，則可以從結構上限制磷化銦在充放電過程中的體積膨脹與收縮，同時石墨烯具有很好的導電性，可以提高電子的傳導速率。因此，通過石墨烯複合磷化銦可以有效的提高其電學性能。目前，有關石墨烯/磷化銦複合材料這類新型電極材料製備的研究報導也遠不如其它複合物多，因而研究其製備方法具有非常重要的意義和廣闊的應用前景。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種石墨烯/磷化銦複合電極材料及其製備方法，合成簡單，製備的複合材料性能好。
一種石墨烯/磷化銦複合電極材料的製備方法，首先在鹼性環境下，採用陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨對氧化石墨烯溶液進行超聲處理，然後加入0.25～0.75mmol的銦鹽，攪拌均勻後，轉入反應釜內，加入0.2～0.6g磷，在120℃-180℃水熱反應8-16小時，最後冷卻、洗滌、乾燥即可，其中，氧化石墨烯的用量為：2.5-10mmol。
所述氧化石墨烯溶液的製備方法為：將20-30mL蒸餾水、2～12mL鹼性溶液和2.5～10mg氧化石墨烯混合後，超聲分散均勻。
所述的鹼性環境通過添加乙二胺或三乙烯四胺實現，所述乙二胺或三乙烯四胺的用量為2～12ml。
水熱反應在聚四氟乙烯內襯內進行，所述的聚四氟乙烯內襯密封在不鏽鋼磨具中。
所述的聚四氟乙烯內襯的填充度為60％-80％。
所述冷卻為隨爐冷卻至室溫。
所述的洗滌為依次分別用去離子水、苯和無水乙醇洗滌。
所述乾燥是在真空乾燥箱中進行。
所述乾燥是在50～60℃下真空乾燥4h～8h。
一種石墨烯/磷化銦複合電極材料，該材料在電流密度為50mA/g時，充放電100圈以後，充放電比容量仍能保持在800mAh/g。
與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果：本發明方法生成的磷化銦可以有效阻礙石墨烯的團聚，同時石墨烯為磷化銦提供錨定的三維空間，石墨烯優良的導電性加快了電子的遷移，為磷化銦充放電時體積膨脹與收縮預留了足夠的空間，複合材料電學性能相對單一組分有了顯著的提高。
【附圖說明】
圖1為實施例1製備的還原氧化石墨烯/磷化銦複合材料的XRD圖。
圖2為實施例1製備的還原氧化石墨烯/磷化銦複合材料的SEM圖。
【具體實施方式】
為了達到上述目的，本發明採取的技術方案為：
一種石墨烯/磷化銦複合電極材料的製備方法，包括以下步驟：
1)向錐形瓶中加入體積20～30mL的蒸餾水，2～12mL鹼性溶液(例如乙二胺或三乙烯四胺)，然後加入2.5～10mg氧化石墨烯，超聲分散均勻；
2)向錐形瓶中加入不大於1mmol十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，攪拌、超聲至完全溶解。
3)向錐形瓶中加入0.25～0.75mmol銦鹽，(可以選自氯化銦、硫酸銦、硝酸銦等)攪拌、超聲至完全溶解。
4)將步驟3)得到的溶液轉入聚四氟乙烯內襯中，再向反應釜中加入0.2～0.6g白磷，然後把聚四氟乙烯內襯密封到不鏽鋼模具中，在密閉條件下由室溫開始加熱並在120～180℃加熱反應8～16h；
5)反應完成後，隨爐冷卻到室溫，然後用快速定量濾紙過濾，即得粗產物；
6)依次分別用去離子水、苯和無水乙醇對粗產物進行洗滌；
7)將洗滌後的產物置入真空乾燥箱中，於50～60℃下真空乾燥4h～8h，得到複合材料。
下面結合實施例對本發明做詳細描述。
實施例1
一種還原氧化石墨烯/磷化銦複合納米材料的製備方法，包括以下步驟：
1)向錐形瓶中加入體積24mL的蒸餾水，8mL乙二胺，然後加入5mg氧化石墨烯，超聲分散均勻；
2)向錐形瓶中加入0.5mmol十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，攪拌、超聲至完全溶解。
3)向錐形瓶中加入氯化銦0.5mmol，攪拌、超聲至完全溶解。
4)將步驟3)得到的溶液轉入聚四氟乙烯內襯中，再向反應釜中加入0.4g白磷，然後把聚四氟乙烯內襯密封到不鏽鋼模具中，在密閉條件下由室溫開始加熱並在180℃加熱反應12h；
5)反應完成後，隨爐冷卻到室溫，然後用快速定量濾紙過濾，即得粗產物；
6)依次分別用去離子水、苯和無水乙醇對粗產物進行洗滌；
7)將洗滌後的產物置入真空乾燥箱中，於60℃下真空乾燥4h，得到複合材料。
通過對材料進行鋰電性能測試，發現在不同電流密度下，材料均表現出良好的循環性能。在電流密度為50mAh/g時，充放電100圈以後，充放電比容量仍能保持在800mAh/g。
實施例2
將實施例1中步驟2)的十六烷基三甲基溴化銨CTAB用量改為0mmol，其他條件不變，產物中發現石墨烯表面光滑，磷化銦與石墨烯複合較差。
實施例3
將實施例1中步驟2)的十六烷基三甲基溴化銨CTAB用量改為1mmol，其他條件不變，產物中明顯發現磷化銦納米顆粒出現團聚，並沒有很好的分散在石墨烯表面。
實施例4
將實施例1中步驟3)的氯化銦的用量改為0.75mmol，其他條件不變，可以發現產物中石墨烯上的磷化銦顆粒所佔比例較實施例1少，同時顆粒的粒徑相較實施例1要大。
實施例5
將實施例1中步驟3)的氯化銦的用量改為0.25mmol，其他條件不變，產物中明顯發現石墨表面上的磷化銦納米顆粒的量較少。
實施例6
將實施例1中步驟4)中的反應時間改為16h，其他條件不變，複合材料仍能形成，但是從形貌上看，複合材料團聚現象比較嚴重。
本發明具有以下有益效果：
(1)磷化銦有效阻礙石墨烯的團聚，同時石墨烯為磷化銦提供錨定的三維空間，石墨烯優良的導電性加快了電子的遷移，為磷化銦充放電時體積膨脹與收縮預留了足夠的空間，複合材料電學性能相對單一組分有了顯著的提高。
(2)電化學性能較高，在鋰離子電池負極材料領域具有很大的應用前景。
(3)本發明成本低，原料易得，製備工藝簡單，重複性好，具有良好的應用前景。
以上對本發明的具體實施例進行了詳細的說明描述，且對不同的實施例的產物現象進行了描述，但其只是作為範例，本發明並不限制於以上描述的具體實施例。對於本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的範疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的範圍內。