【技术实现步骤摘要】
杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料及其制法与应用
本专利技术属于碳材料与电化学领域,具体涉及一种杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料及其制备方法与在大容量、高倍率锂离子电池中的应用。
技术介绍
锂离子电池,由于开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染及自放电小等优点,是目前二次电池的发展重点,并作为重要的供电源在移动通讯、笔记本电脑等电器市场中占有较大的份额,并有望应用于电动汽车以及国家电网中大型的存储装置。当前,如果要将锂离子电池应用于大型储能器件和大功率设备,必须要求作为锂离子电池的电极材料在大倍率充放电条件下保持良好的容量特性和循环稳定性,因此开发具有高容量、高功率性质的电极材料是目前研究的关键。目前主要使用的锂离子电池负极材料是以石墨为代表的碳材料,其他负极材料还包括:合金类材料、金属氧化物材料、金属氮化物材料、硫化物等。金属(包括硅)、金属氧化物、氮化物等材料由于原料来源稀少、制备工艺复杂、生产成本较高等原因,极大地限制了它们的实际应用。石墨由于其具备的价格低廉和接近金属锂的脱嵌锂电位已经被作为产业化的负极材料使用。但是,由于石墨中片层紧密堆积的层状结构,使石墨材料存在着一些不可克服的缺点,如石墨理论容量较低,石墨晶体的片层间距(d002=0.34nm)小于锂/石墨层间化合物LixC6的片层间距(d002=0.37nm),由于石墨中片层间距较小,以及在实际生产过程中生产工艺的限制使得石墨片层的堆积方向垂直于锂离子传输方向,所以石墨材料作为负极的锂离子电池的倍率性能往往并不理想。这些缺点使得石墨材料在需要大容量、长寿命、高功率的储能器件 ...
【技术保护点】
一种杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料的制备方法,其特征在于:具体包括以下步骤:(1)表面带孔氧化石墨烯的合成将水加入氧化石墨烯中,超声分散,得到氧化石墨烯溶液;然后在搅拌条件下,向装有氧化石墨烯溶液的容器中加入浓HNO3,容器密封,于4℃~60℃超声反应0.5~10h,静置1~3h后,倒入去离子水中,离心去酸,纯化,过滤,干燥,得到表面带孔氧化石墨烯,备用;(2)带正电荷二氧化硅球模板的制备将十六烷基三甲基溴化铵加入到装有去离子水、乙二醇和氨水的反应容器中,搅拌溶解,升温至40~70℃,保温搅拌20~60min,然后逐滴加入四乙氧基硅烷,接着快速加入3‑氨丙基三乙氧基硅烷,于40~70℃搅拌反应2~4h,保温静置12~24h,随后置于水热反应釜中进行水热反应;将水热反应的产物清洗至滤液无泡沫,干燥,得到带正电荷的二氧化硅球;(3)具有核壳结构的表面带孔氧化石墨烯@二氧化硅球复合物的制备将步骤(2)中带正电荷的二氧化硅球分散于去离子水中,得到二氧化硅球分散液;然后滴加酸溶液调节pH为2~2.5,加入表面带孔氧化石墨烯分散液,搅拌反应24~48h,冷冻干燥,得到具有核壳结构的表面带孔氧化 ...
【技术特征摘要】
1.一种杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料的制备方法,其特征在于:具体包括以下步骤:(1)表面带孔氧化石墨烯的合成将水加入氧化石墨烯中,超声分散,得到氧化石墨烯溶液;然后在搅拌条件下,向装有氧化石墨烯溶液的容器中加入浓HNO3,容器密封,于4℃~60℃超声反应0.5~10h,静置1~3h后,倒入去离子水中,离心去酸,纯化,过滤,干燥,得到表面带孔氧化石墨烯,备用;(2)带正电荷二氧化硅球模板的制备将十六烷基三甲基溴化铵加入到装有去离子水、乙二醇和氨水的反应容器中,搅拌溶解,升温至40~70℃,保温搅拌20~60min,然后逐滴加入四乙氧基硅烷,接着快速加入3-氨丙基三乙氧基硅烷,于40~70℃搅拌反应2~4h,保温静置12~24h,随后置于水热反应釜中进行水热反应;将水热反应的产物清洗至滤液无泡沫,干燥,得到带正电荷的二氧化硅球;(3)具有核壳结构的表面带孔氧化石墨烯@二氧化硅球复合物的制备将步骤(2)中带正电荷的二氧化硅球分散于去离子水中,得到二氧化硅球分散液;然后滴加酸溶液调节pH为2~2.5,加入表面带孔氧化石墨烯分散液,搅拌反应24~48h,冷冻干燥,得到具有核壳结构的表面带孔氧化石墨烯@二氧化硅球复合材料;其中所述表面带孔的氧化石墨烯分散液是将步骤(1)中表面带孔的氧化石墨烯分散于水中制备得到;(4)杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯的等离子体法制备将100mg~1000mg表面带孔氧化石墨烯@二氧化硅球复合材料置于等离子体高温管式反应器中,抽真空降压至1~10Pa,进一步抽真空至10-2~10-3Pa,通入保护气体及气态杂原子掺杂源至压强为0.1~20Pa,将等离子体高温管式反应器升温至300~600℃,然后打开射频电源,在射频功率为100~600W的条件下,等离子体放电10~60min,然后关闭射频和加热电源,停止通入杂原子掺杂源,冷却,用HF溶液清洗,再用丙酮-水混合物洗涤,最后用去离子水洗涤至滤液的导电率低于10μS,过滤物固体材料即为杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料;所述杂原子掺杂源为气态杂原子化合物,所述杂原子为硼、氮、硫或磷中的一种以上。2.根据权利要求1所述杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述浓HNO3与氧化石墨烯溶液的体积比为(1~20):1;所述去离子水与氧化石墨烯溶液的体积比为(100~200)mL:(50~500)mL;步骤(1)中所述浓硝酸的质量百分比浓度为60~65%;所述氧化石墨烯溶液的质量百分比浓度为0.1~1.0%;步骤(2)中所述十六烷基三甲基溴化铵:去离子水:乙二醇:氨水:四乙氧基硅烷:3-氨丙基三乙氧基硅烷的用量比为(0.5~2)g:(100~300)g:(10~100)mL:(5~25)mL:(0.5~3)mL:(100~300)μL;步骤(3)中所述表面带孔氧化石墨烯分散液的浓度为(1~10)mg/mL;所述带正电荷的二氧化硅球与去离子水的质量体积比为(0.1~2)g:(20~50)mL;所述带正电荷的二氧化硅球与表面带孔氧化石墨烯分散液的质量体积比为(0.1~2)g:15mL。3.根据权利要求1所述杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料的制备方法,其特征在于:步骤(4)中所述保护气体为氩气、氦气或氮气;所述保护气体与杂原子掺杂源的体积比为(0.1~10):1;步骤(2)中所述氨水的质量百分比浓度为25~28%;步骤(2)中所述水热反应的温度为80~120℃,水热反应的时间为12~48h。4.根据权利要求3所述杂原子掺杂表面带孔中空球石墨烯材料的制备方法,其特征在于:步骤(4)中所述杂原子掺杂源为乙硼烷、氨气、硫化氢或三氯化磷中的一种以上。5.根据权利要求1所述杂原子掺杂表...
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