一种仿生珍珠母结构电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种仿生珍珠母结构电极及其制备方法。所述电极中，有序层层堆叠的石墨烯片层作为韧性有机基底结构，高容量无机/有机或其复合材料作为具有电化学活性的纳米增强相，电极具有类珍珠母结构的精细层状微观结构。该仿生珍珠母结构电极可以有效提升其内部电化学储能活性材料的电子导电性，同时其坚韧的复合结构可以维持活性材料的结构稳定性，因此该仿生珍珠母结构电极具有出色的强度、模量和电化学性能，将其用于金属离子电池，可以表现出优异的储能效果，具有非常好的应用前景。具有非常好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生珍珠母结构电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于电池领域，具体涉及一种仿生珍珠母结构电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]开发高度经济的储能解决技术需要高度稳定和可以快速充电/放电的储能体系，这对于推广可持续电网能源(即风能和太阳能)来说至关重要。由于全球范围内减少碳足迹的政策，这些需求的紧迫性导致电动汽车市场及其商品的需求量和价格的飙升。钠离子电池(SIB)和钾离子电池(KIB)具有与锂离子电池(LIBs)相似的储能机制，且具有高的天然丰度(Na:2.3wt％和K:2.09wt％)和低成本，一直是研究热点。在这种情况下，SIB和KIB作为一种可行的经济存储体系，与传统锂离子电池(LIB)技术相比，其具有优越的经济优势，在电化学性能上，其能量密度和功率密度也具有良好的前景，受到越来越多的研究人员的关注。另一方面，LIB、SIB和KIB中液体电解质的易燃性带来了许多安全隐患。而水系锌离子电池(ZIB)可能为解决这些问题提供有效的解决方案。Zn具有高容量(5851mAh mL
‑1)，且与锂和其他金属相比，它具有更高的纯度、丰度和更高的安全性。因此，水系ZIB是当前的研究热点之一。此外，研究人员也在开发镁离子电池、钙离子电池、铝离子电池等新体系金属离子电池体系。
[0003]然而，高容量电极如金属氧化物/硫化物/硒化物/磷化物、二氧化锰材料、有机材料等，通常具有导电性差、充放电过程中体积变化大，部分电极还存在活性材料容易溶解在电解液中造成容量快速衰减的问题。因此，对电极材料及结构的特殊设计来提升其导电性和稳定性对高性能电极的开发至关重要。
[0004]本专利技术提供了一种仿生珍珠母结构电极及其制备方法，基于珍珠母结构具有的优良结构层次、结构稳定性及优异的力学性能，将有序层层堆叠的石墨烯片层作为韧性有机基底结构，在其层间填入具有储能活性的无机/有机或其复合材料作为纳米增强相，制备得到具有仿生珍珠母结构的电极。该方法得到的仿生珍珠母结构电极具有精细层状微观结构，其石墨烯导电骨架可以使电极具有高导电特性，同时其复合结构具有的出色的强度、模量和韧性可以对材料反复储能过程中的体积变化进行有效缓解，从而提升高容量电极材料的导电性和循环过程中的稳定性，将具有该结构的电极用于金属离子电池时，可以使电池体系表现出良好的储能效果。

技术实现思路

[0005]本专利公开了一种仿生珍珠母结构电极及其制备方法。其目的在于借鉴珍珠母的有机
‑
无极复合坚韧结构，利用有序层层堆叠的石墨烯片层作为具有韧性的有机基质，无机/有机或其复合材料填入其间作为增强纳米填料，利用该二维精细层状微观结构实现对活性材料导电性、结构稳定性的提升，从而得到高容量、高功率、高稳定性的电极材料，具有非常好的应用前景。
[0006]实现本专利技术的技术方案是：一种仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于：
仿生珍珠母结构电极具有层层堆叠的石墨烯片层作为韧性有机基底结构，其层间嵌入高容量无机/有机或其复合材料作为具有电化学活性的纳米增强相，电极具有类珍珠母的坚韧结构。
[0007]所述的仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于：所述高容量无机/有机或其复合材料为金属氧化物/硫化物/硒化物/磷化物、二氧化锰、有机材料等中的一种或几种的复合物。
[0008]所述的仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于，所述仿生珍珠母结构电极的制备方法如下：
[0009](1)将氧化石墨烯分散于0.00001
‑
10mol L
‑1的酸溶液或其与表面张力调节剂的混合液中，得到氧化石墨烯水悬浮液(0.001
‑
100mg mL
‑1)中作为分散液一；
[0010](2)将Al或Zn箔浸入到分散液一中0.2
‑
72h，氧化石墨烯在Al或Zn箔表面逐层还原堆叠形成有序的石墨烯凝胶，并在去离子水中洗涤0.1
‑
72h；
[0011](3)将步骤(2)得到的材料放入HCl溶液中(0.1
‑
10mol L
‑1)，使石墨烯凝胶膜从Al或Zn箔上逐步分离；
[0012](4)将步骤(3)得到的分离的石墨烯凝胶在去离子水中洗涤并干燥后获得石墨烯有机基底结构；
[0013](5)将高容量无机/有机或其复合材料颗粒通过原位生长或非原位复合的方式均匀分布于上述石墨烯有机基底结构层间，得到仿生珍珠母结构电极。
[0014]所述的仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、亚硫酸、磷酸、醋酸、碳酸、硫氢酸、氢氟酸中的一种或几种与水的酸性混合溶液。
[0015]所述的仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述表面张力调节剂指乙醇、异丙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、甲醇、N
‑
N二甲基甲酰胺、二甲亚砜、丙三醇、正丁醇和1
‑
甲基
‑
吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、3
‑
氨丙基三乙氧基硅氧烷和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。
[0016]所述的仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述原位生长为高容量活性材料在石墨烯有机基底结构上形核并生长为活性材料颗粒作为纳米增强相。
[0017]所述的仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述非原位生长为将已合成的活性材料颗粒散布于石墨烯有机基底结构上作为纳米增强相。
[0018]本专利技术的有益效果是：本专利技术公开的一种仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其中有序层层堆叠的石墨烯片层作为韧性有机基底结构，在其层间填入具有储能活性的无机/有机或其复合材料作为增强相，该结构具有类珍珠母的有机
‑
无极复合坚韧结构，该仿生珍珠母结构电极可以有效提升其内部电化学储能活性材料的电子导电性，，同时其复合结构具有的出色的强度、模量和韧性可以对材料反复储能过程中的体积变化进行有效缓解，从而得到高容量、高功率、高稳定性的电极材料，将具有该结构的电极用于金属离子电池时，可以使电池体系表现出良好的储能效果。
具体实施方式
[0019]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]实施例1
[0021]仿生珍珠母结构电极用于高性能锂离子电池的合成步骤如下：将氧化石墨烯分散于0.1mol L
‑1的盐酸溶液中(其中聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.5mol L
‑1)，得到氧化石墨烯水悬浮液(20mg mL
‑1)中作为分散液一；将Al箔浸入到分散液一中2h，氧化石墨烯在Al箔表面逐层还原堆叠形成有序的石墨烯凝胶，并在去离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于：仿生珍珠母结构电极具有层层堆叠的石墨烯片层作为韧性有机基底结构，其层间嵌入高容量无机/有机或其复合材料作为具有电化学活性的纳米增强相，电极具有类珍珠母的坚韧结构。2.根据权利要求1所述的仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于：所述高容量无机/有机或其复合材料为金属氧化物/硫化物/硒化物/磷化物、二氧化锰、有机材料等中的一种或几种的复合物。3.根据权利要求1或2所述的仿生珍珠母结构电极及其制备方法，其特征在于，所述仿生珍珠母结构电极的制备方法如下：(1)将氧化石墨烯分散于0.00001
‑
10mol L
‑1的酸溶液或其与表面张力调节剂的混合液中，得到氧化石墨烯水悬浮液(0.001
‑
100mg mL
‑1)中作为分散液一；(2)将Al或Zn箔浸入到分散液一中0.2
‑
72h，氧化石墨烯在Al或Zn箔表面逐层还原堆叠形成有序的石墨烯凝胶，并在去离子水中洗涤0.1
‑
72h；(3)将步骤(2)得到的材料放入HCl溶液中(0.1
‑
10mol L
‑1)，使石墨烯凝胶膜从Al或Zn箔上逐步分离；(4)将步骤(3)得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈人杰，张喜雪，李丽，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：