一种硅掺杂石墨烯制备的赝电容性水系钙离子电池负极及其在水系钙离子电池中的应用制造技术

一种硅掺杂石墨烯制备的赝电容性水系钙离子电池负极及其在水系钙离子电池中的应用，将赝电容性钙离子电池负极材料、乙炔黑、聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1加入到无水乙醇中，充分研磨后获得均匀浆料；将浆料涂覆在碳纸上，然后，在100℃、真空条件下干燥，裁剪得到赝电容性水系钙离子电池负极；所述电容性钙离子电池负极材料包括能容许组成钙盐的阳离子Ca

【技术实现步骤摘要】
一种硅掺杂石墨烯制备的赝电容性水系钙离子电池负极及其在水系钙离子电池中的应用


[0001]本专利技术涉及一种硅掺杂石墨烯制备的赝电容性水系钙离子电池负极及其在水系钙离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]继锂离子、钠离子等单价离子电池之后，像Ca
2+
、Zn
2+
、Mg
2+
以及Al
3+
多价离子电池的发展也备受关注。一方面是因为多价离子电池中一个多价离子能够结合至少2个电子，如此，从理论层面讲，其能量密度就会显著提高。其次，多离子电池所用的关键电极材料例如金属钙、镁以及铝具有远高于金属锂的丰富资源占比，将来能够满足大规模应用对性价比高电池的性能追求。而在众多多价离子电池中，钙离子作为一种多价离子电池，具有独特的优势能够成为未来大规模电网应用的电能储存系统的首选。但是优秀的钙离子电池负极材料一直是制约其大规模应用的瓶颈。石墨烯材料作为一种二维碳基材料，具有导电性能好，比表面积大、热学以及化学稳定性高等优点，有望作为未来性价比高的钙离子存储负极材料，但是低的能量密度一直未来突破，故而无法满足实际应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是提供一种硅掺杂石墨烯制备的赝电容性水系钙离子电池负极及其在水系钙离子电池中的应用，该水系钙离子电池负极具有赝电容性，应用于水系钙离子电池，同时满足能量密度和功率密度双高的需要。
[0004]本专利技术的技术方案是：
[0005]一种硅掺杂石墨烯制备的赝电容性水系钙离子电池负极，具体制备工艺如下：将赝电容性钙离子电池负极材料、乙炔黑、聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1加入到无水乙醇中，充分研磨后获得均匀浆料；将浆料涂覆在碳纸上，然后，在100℃、真空条件下干燥，裁剪得到赝电容性水系钙离子电池负极；
[0006]所述电容性钙离子电池负极材料包括能容许组成钙盐的阳离子Ca
2+
可逆地化学吸附/脱附的硅掺杂石墨烯，且石墨烯为单层石墨烯、硅掺杂石墨烯的硅掺杂含量为2.68at％。
[0007]进一步的，所述单层石墨烯的单层率≥90％。
[0008]进一步的，所述硅掺杂石墨烯的掺杂前驱体在氮气保护气条件下经高温热解反应获得的，掺杂前驱体为硅酸乙酯，主体为单层石墨烯，且其质量比为16:1。
[0009]进一步的，所述高温热解反应的升温速率为5℃/min，保温温度为900℃，保温时间为3h。
[0010]进一步的，高温热解反应产品用无水乙醇进行洗涤并离心除杂。
[0011]进一步的，对洗涤、除杂后的产物进行真空烘干，且烘干温度为120℃，烘干时间为12h。
[0012]一种上述的硅掺杂石墨烯制备的赝电容性水系钙离子电池负极在制备的水系钙离子电池中的应用。
[0013]进一步的，所述的硅掺杂石墨烯制备的赝电容性水系钙离子电池负极在制备的水系钙离子电池中的应用，所述水系钙离子电池包括电池正极、电池负极、电解液以及位于所述电池正极与所述电池负极之间的隔膜，所述电解液包括钙盐电解质和水，其特殊之处在于：所述电池负极具体制备工艺如下：将赝电容性钙离子电池负极材料、乙炔黑、聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1加入到无水乙醇中，充分研磨后获得均匀浆料；将浆料涂覆在碳纸上，然后，在100℃、真空条件下干燥，裁剪得到赝电容性水系钙离子电池负极；
[0014]所述电容性钙离子电池负极材料包括能容许组成钙盐的阳离子Ca
2+
可逆地化学吸附/脱附的硅掺杂石墨烯，且石墨烯为单层石墨烯、硅掺杂石墨烯的硅掺杂含量为2.68at％。
[0015]本专利技术的有益效果：
[0016]本专利技术以硅酸乙酯(C8H
20
O4Si)为掺杂前躯体，以单层石墨烯为主体材料，原料选用单层率≥90％单层石墨烯，其曝露能够让电解质Ca
2+
接触的有效表面积大；通过独特的烧结制备工艺得到了硅掺杂石墨烯，在继承了石墨烯材料自身优势以外，还结合硅元素掺杂带来效应，产生了很好的赝电容性钙离子存储能力，其具有特定位点的化学吸附，也就是氧化还原赝电容，并且伴随着储电量的不断增加，从氧化还原赝电容向欠电位沉积机制转变，产生了很好的赝电容性Ca
2+
存储能力；对Ca
2+
的良好吸附脱附性，同时兼具了高的能量密度和功率密度，是一种非常有前景的赝电容性钙离子存储负极材料。
附图说明
[0017]图1是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的扫描电镜图；
[0018]图2是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的SEM下的EDS分层图；
[0019]图3是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的EDS成分的相对定量分析图；
[0020]图4是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料中硅元素的EDS分布图；
[0021]图5是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料中碳元素的EDS分布；
[0022]图6是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的TEM照片；
[0023]图7是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的TEM高分辨图；
[0024]图8是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的XPS全谱图；
[0025]图9是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的高分辨XPS分谱图；
[0026]图10是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的N2吸附等
温曲线；
[0027]图11是本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料作为活性材料进行的电化学性能的测试曲线图。
具体实施方式
[0028]实施例1
[0029]将硅酸乙酯(C8H
20
O4Si)前驱体与单层石墨烯(单层率≥90％)按照质量比16:1混合均匀；在流动的氮气氛保护下，在管式炉中按照升温速率为5℃/min的速率升温至900℃，保温3h；然后自然冷却至室温，加入无水乙醇搅拌均匀，反复洗涤，离心，最终得到黑色浆料；然后在真空烘箱中120℃下烘干12小时，得到硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料。一、实施例1的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的结构和性能
[0030]本专利技术实施例1制备的硅掺杂石墨烯(Si
‑
G)赝电容性负极材料的形貌及成分图如图1
‑
5所示，其中，图1是硅掺杂石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅掺杂石墨烯制备的赝电容性水系钙离子电池负极，其特征是：具体制备工艺如下：将赝电容性钙离子电池负极材料、乙炔黑、聚偏氟乙烯按照质量比8:1:1加入到无水乙醇中，充分研磨后获得均匀浆料；将浆料涂覆在碳纸上，然后，在100℃、真空条件下干燥，裁剪得到赝电容性水系钙离子电池负极；所述电容性钙离子电池负极材料包括能容许组成钙盐的阳离子Ca
2+
可逆地化学吸附/脱附的硅掺杂石墨烯，且石墨烯为单层石墨烯、硅掺杂石墨烯的硅掺杂含量为2.68at％。2.根据权利要求1所述的赝电容性钙离子电池负极材料，其特征是：所述单层石墨烯的单层率≥90％。3.根据权利要求1所述的赝电容性钙离子电池负极材料，其特征是：所述硅掺杂石墨烯的掺杂前驱体在氮气保护气条件下经高温热解反应获得的，掺杂前驱体为硅酸乙酯，主体为单层石墨烯，且其质量比为16:1。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：高勇，李政隆，崔文刚，杨亚雄，高帆，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：