具有无规分布的二维结构缺陷的石墨烯材料制造技术

本发明专利技术提供了用于高功率电池应用的石墨烯基储存材料。所述储存材料由石墨烯片材的竖直叠堆组成，并具有降低的对Li离子传输的抗性。该降低的抗性通过如下方式实现：将无规分布的结构缺陷引入堆叠的石墨烯片材中，由此所述结构缺陷有利于Li离子扩散至储存材料的内部中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有无规分布的二维结构缺陷的石墨烯材料
技术介绍
具有大量的日益增加复杂和强大功能的移动设备的扩散已导致对高功率高容量电子能量储存设备的快速增长的需求。当混合动力和电池动力电动车辆变为优选的运输模式时，情况将变得甚至更严重。目前，对高容量和高功率的合并需要由两种分别的设备满足:用于容量的可充电电池和用于功率的超级电容。单个设备，如可在高功率下操作的可充电电池，是高度合意的，因为其更轻、更容易控制，且能够提供持续的高功率。近来已研究石墨烯(一种二维芳族单层石墨)在用于常规电化学能量储存设备中时的倍率性能和循环稳定性。自承石墨烯材料的优良的拉伸模量和机械耐久性消除了对常规无活性添加剂和金属箔继电器的需要。另外，通过将高容量金属或氧化还原材料夹在石墨烯片材之间而制得的电荷储存材料已显示改进的循环稳定性。不幸地，在高充电/放电速率下Li离子电池中石墨烯基阳极的实际电荷储存能力受限于具有极高纵横比(即其较宽，但是极薄)的石墨烯的结构。为了到达石墨烯叠堆的内部，Li离子需要在叠堆的边缘处进入结构，并行进微米级的距离。因此，在高功率下，当需要电解质溶液与电极之间的快速Li交换时，仅可到达接近石墨烯叠堆的边缘的区域。
技术实现思路
提供了石墨烯基材料、由所述材料制得的电极、引入所述电极的电池，以及用于制备所述电极材料的方法。本专利技术的一个方面提供了石墨烯基材料，其包括设置于竖直叠堆中的多个石墨烯片材，其中在所述竖直叠堆内的石墨烯片材包含由面内碳空缺形成的无规分布的缺陷孔。在材料的一些实施方案中，石墨烯片材为包括石墨区域的连续网络的结构的部分，所述石墨区域的连续网络包括石墨烯片材的竖直叠堆的结晶部分。在这些实施方案中，石墨区域的连续网络与复合材料整合，所述复合材料包含:(a)石墨烯片材的竖直叠堆的无序部分；和6)电化学活性材料，如硅纳米粒子，所述电化学活性材料与所述竖直叠堆的无序部分中的石墨烯片材接触。本专利技术的另一方面提供了锂离子电池，其包括阴极、阳极和设置于所述阴极与阳极之间的包含锂盐的非水性电解质，其中所述阳极包括设置于竖直叠堆中的多个石墨烯片材，且其中在所述竖直叠堆内的石墨烯片材包含由面内碳空缺形成的无规分布的缺陷孔。在所述电池的一些实施方案中，石墨烯片材为包括石墨区域的连续网络的结构的部分，所述石墨区域的连续网络包括石墨烯片材的竖直叠堆的结晶部分，其中所述石墨区域的连续网络与复合材料整合，所述复合材料包含:(a)石墨烯片材的竖直叠堆的无序部分；和6)电化学活性材料，如硅纳米粒子，所述电化学活性材料与所述竖直叠堆的无序部分中的石墨烯片材接触。本专利技术的又一方面提供了用于制备电极材料的方法，所述方法包括如下步骤:在足够高的酸浓度和足够长的暴露时间下，将经剥离的经氧化的石墨烯片材的悬浮体暴露于酸，以在经氧化的石墨烯片材中产生由碳空缺形成的缺陷孔；从所述悬浮体中移出所述经氧化的石墨烯片材；以及还原所述经氧化的石墨烯片材以形成具有分布于其中的无规分布的缺陷孔的石墨烯片材的竖直叠堆。所述方法的一些实施方案也包括混合悬浮体中的经氧化的石墨烯片材与电化学活性纳米粒子，使得所述纳米粒子分散于所述石墨烯片材之间。在本专利技术的方法的这些实施方案中，当经氧化的石墨烯片材从悬浮体中移出并还原时，所得材料包括与复合材料整合的石墨区域的网络，所述石墨区域的网络包括石墨烯片材的竖直叠堆的结晶部分，所述复合材料包含所述石墨烯片材的竖直叠堆的无序部分和分散于所述竖直叠堆的无序部分中的石墨烯片材之间的电化学活性材料的纳米粒子，所述石墨烯片材具有分布于其中的无规分布的缺陷孔。在阅读如下附图、具体说明和所附权利要求书时，本专利技术的其他主要特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。【附图说明】本专利技术的示例性实施方案将在下文参照所附附图描述，在附图中同样的数字表示同样的元件。图1为(A)由具有无规分布的二维缺陷孔的石墨烯片材制得的竖直叠堆和(B)包括无序部分的石墨烯片材的竖直叠堆的横截面示意图，其中Si纳米粒子设置于石墨烯片材与有序石墨烯片材的结晶部分之间。碳空缺形式的结构缺陷分布在三维网络中。每个虚线表示具有缺陷(deG)的单原子厚的石墨烯片材。每一组灰色线表示竖直叠堆的结晶部分。圆形表示夹在由黑色线表示的石墨烯片材的无序部分之间的Si纳米粒子。无序部分结构上连接至结晶部分，从而提供导电性和机械完整性。图2.Pd染色的样品(参见实施例)的透射电子显微(TEM)图像:(A)G0，(B)deGO-1，(C)deGO-1I, (D)deGO-1II，和(E)deGO-1V。(F) D中的突出区域的高放大率图像，其显示了在环状排列中的?3nm Pd粒子，所述Pd粒子源自在缺陷周界结合至羧酸酯的Pd离子。图3.(A)S1-deG-1II纸(参见实施例)的顶表面的扫描电子显微(SEM)图像。插图中的圆圈突出了面内缺陷。(B)S1-deG-1II纸的横截面的SEM图像。插图显示了均匀嵌入石墨烯片材之间的Si纳米粒子。【具体实施方式】本专利技术的一个方面提供了石墨烯基材料。所述材料可设计用作高功率电池应用中的储存材料。所述储存材料包括石墨烯片材的竖直叠堆，并且具有相对于其他石墨烯基电极材料降低的对Li离子传输的抗性。该降低的抗性通过如下方式实现:将无规分布的结构缺陷引入石墨烯片材中，由此所述结构缺陷有利于Li离子扩散至储存材料的内部中。可将诸如硅的电化学活性材料引入本专利技术的结构中以提供复合材料，所述复合材料利用了提高的Li粒子扩散，并能够提供具有高功率能力和储存能力的电极，而不牺牲机械性质和机械加工性。图1 (A)显示了根据本专利技术的石墨烯基材料100的一个实施方案的横截面图的示意图。所述材料包括设置于竖直叠堆104中的多个石墨烯片材102，其中在所述竖直叠堆内的石墨烯片材包含由面内碳空缺形成的无规分布的缺陷孔106。石墨烯基储存材料可通过如下方式制得:将经剥离和经氧化的石墨烯片材的悬浮体暴露于酸，达到足以在经氧化的石墨烯片材中产生缺陷孔(碳空缺)的暴露时间。该过程可通过搅拌方法(如超声)协助。随后，经氧化的石墨烯片材从悬浮体中移出并还原，以提供具有分布于其中的无规分布的缺陷孔的石墨烯片材的竖直叠堆排列。用于制备所述材料的方法的更详细的描述提供于如下实施例中。在本专利技术的材料的一些实施方案中，在竖直叠堆中的石墨烯片材被重新组成为结晶石墨。在其他实施方案(其在如下更详细地描述)中，竖直叠堆中的石墨烯片形成与无序石墨烯区域混合的结晶石墨区域的混合物。由于在形成最终竖直叠堆之前碳空缺独立地在单独的石墨烯片材中形成，所得缺陷孔“无规分布”，所述缺陷孔既不在给定石墨烯片材内规则间隔和/或设置，也不在竖直叠堆内的石墨烯片材与石墨烯片材之间规则间隔和/或竖直对齐。因此，“无规分布”的孔可容易地区别于图案化(例如平版印刷图案化)至堆叠的石墨烯材料(例如石墨)中的空穴，使得石墨烯片材中的空穴对齐而提供竖直通过材料的直通道。本专利技术的材料的石墨烯片材中的缺陷孔的尺寸和密度至少部分取决于石墨烯片材所暴露的酸的浓度和暴露持续时间。同样，材料与材料之间的缺陷孔的尺寸和密度可显著不同。仅以示例性的方式，在材料的一些实施方案中，平均缺陷孔径不大于约lOOnm。例如，平均缺陷孔径可在约Inm至约50nm的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯基材料，其包括设置于竖直叠堆中的多个石墨烯片材，其中在所述竖直叠堆内的石墨烯片材包含由面内碳空缺形成的无规分布的缺陷孔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种石墨烯基材料，其包括设置于竖直叠堆中的多个石墨烯片材，其中在所述竖直叠堆内的石墨烯片材包含由面内碳空缺形成的无规分布的缺陷孔。2.根据权利要求1所述的材料，其中所述缺陷孔的平均直径在约Inm至约IOOnm的范围内。3.根据权利要求1所述的材料，其中所述缺陷孔的平均直径不大于30nm。4.根据权利要求1所述的材料，其中通过相邻孔之间的平均分隔距离与平均孔径的比例所测得的石墨烯片材中的缺陷孔的平均密度为至少3。5.根据权利要求1所述的材料，其中通过相邻孔之间的平均分隔距离与平均孔径的比例所测得的石墨烯片材中的缺陷孔的平均密度为至少100。6.根据权利要求1所述的材料，其中所述石墨烯片材为包括石墨区域的连续网络的结构的部分，所述石墨区域的连续网络包括石墨烯片材的竖直叠堆的结晶部分，且其中所述石墨区域的连续网络与复合材料整合，所述复合材料包含:Ca)石墨烯片材的竖直叠堆的无序部分；和6)电化学活性材料，所述电化学活性材料与所述竖直叠堆的无序部分中的石墨烯片材接触。7.根据权利要求 6所述的材料，其中所述电化学活性材料为硅。8.根据权利要求7所述的材料，其中所述硅为硅纳米粒子的形式，所述硅纳米粒子分散于所述竖直叠堆的无序部分中的石墨烯片材之间。9.一种锂离子电池，其包括阴极、阳极和设置于所述阴极与阳极之间的包含锂盐的非水性电解质，其中所述阳极包括设置于竖直叠堆中的多个石墨烯片材，且其中在所述竖直叠堆内的石墨烯片材包含由面内碳空缺形成的无规分布的缺陷孔。10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其中所述缺陷孔的平均直径在约Inm至约IOOnm的范围内。11.根据权利要求9所述的锂离子电池，其中通过相邻孔之间的平均分隔距离与平均孔径的比例所测得的石墨烯片材中的缺陷孔的平均密度为至少3。12.根据权利要求9所述的锂离子电池，其中所述石墨烯片材为包括石墨区域的连续网络的结构的部分，所述石墨区域的连续网络包括石墨烯片材的竖...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·H·孔，X·赵，C·M·海纳，M·C·孔，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：
国别省市：