一种碘掺杂石墨烯赝电容性钙离子电池负极材料的制备方法技术

一种碘掺杂石墨烯赝电容性钙离子电池负极材料的制备方法，该赝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】
一种碘掺杂石墨烯赝电容性钙离子电池负极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种碘掺杂石墨烯赝电容性钙离子电池负极材料及其制备方法，主要用于钙离子电池负极材料。

技术介绍

[0002]钙离子电池是一种新型的可充电电池，其工作原理类似于传统的锂离子电池，但是采用了钙离子作为电极材料，利用钙离子在正负极之间进行可逆沉积/剥离，实现能量储存与释放的电池。二价钙离子电池相比于传统锂、钠等单价离子电池，能够一个离子结合两个电子，具有能量储存上的技术优势，更重要的是，相比于匮乏的锂资源，钙金属资源丰富，价格便宜。然后，二价钙离子电池负极材料的性能一直是制约其性能提升的一个重要的技术瓶颈，阻碍了能量密度和功率密度的提升。
[0003]石墨烯作为一种导电性好、比表面积大、热学以及化学稳定性优、力学性能佳的二维碳基材料，具有巨大的潜力作为钙离子电池的负极材料。但是纯净的石墨烯触电过程中主要是基于双电层电容器机制，尽管具有优秀的功率密度，但是能量密度普遍很低，这是制约其应用于钙离子电池领域一个关键性问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种碘掺杂石墨烯赝电容性钙离子电池负极材料及其制备方法，主要应用于钙离子电池负极材料，同时满足能量密度和功率密度双高的需要。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种碘掺杂石墨烯赝电容性钙离子电池负极材料，所述赝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
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可逆地化学吸附/脱附的碘掺杂石墨烯，且石墨烯为单层石墨烯、碘掺杂石墨烯的碘掺杂含量为0.1at％。
[0006]进一步的，所述单层石墨烯的单层率≥90％。
[0007]进一步的，所述赝电容性钙离子电池负极材料制作的赝电容性钙离子电池负极钙离子的存储容量为51F g
‑1，能量密度为4.53Whkg
‑1，功率密度为1617.46Wkg
‑1。
[0008]一种碘掺杂石墨烯赝电容性钙离子电池负极材料的制备方法，其具体步骤如下：将I的前驱体三碘甲烷与单层石墨烯按照质量比15:1混合均匀；在流动的氮气氛保护下，在管式炉中匀速升温至900℃，在900℃下保温3h；然后自然冷却至室温，洗涤，离心，得到黑色浆料；然后在真空烘箱中烘干，得到碘掺杂石墨烯负极材料。
[0009]进一步的，烘干时，烘干温度为100℃，烘干时间为12小时。
[0010]进一步的，管式炉中匀速升温的升温速率是5℃/min。
[0011]进一步的，洗涤时，使用无水乙醇进行洗涤。
[0012]本专利技术的有益效果：(1)该赝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
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可逆地化
学吸附/脱附的碘掺杂石墨烯，在继承了石墨烯材料自身优势以外，还结合和碘I元素掺杂效应，产生了很好的赝电容性钙离子存储能力，通过合理的原料配比，使碘掺杂石墨烯的碘掺杂含量为0.1at％，从而具有优异的钙离子存储能力，制作的赝电容性钙离子电池负极钙离子的存储容量为51F g
‑1，同时兼具了高的能量密度和功率密度，能量密度可达4.53Whkg
‑1，功率密度可达1617.46Wkg
‑1，是一种非常有前景的赝电容性钙离子存储负极材料。
[0013](2)以三碘甲烷(CHI3)为掺杂前躯体，以单层石墨烯为主体材料，通过烧结制备工艺得到了碘掺杂石墨烯，工艺简单，操作容易，同时钙离子电池负极材料具有优异的电化学性能。
附图说明
[0014]图1是本专利技术(对应实施例1)的碘掺杂石墨烯扫描电镜图；图2是本专利技术(对应实施例1)的碘掺杂石墨烯DES分层图以及元素分布图；图3是本专利技术(对应实施例1)的碘掺杂石墨烯透射电子显微镜图；图4是本专利技术(对应实施例1)的碘掺杂石墨烯高分辨图；图5是本专利技术(对应实施例1)的碘掺杂石墨烯XPS全谱图；图6是本专利技术(对应实施例1)的碘掺杂石墨烯的N2吸附等温曲线；图7是本专利技术(对应实施例1)的碘掺杂石墨烯作为工作电极在饱和CaCl2水系电解质中不同电流密度下进行的恒电流充放曲线图。
具体实施方式
[0015]实施例1将I的前驱体三碘甲烷(CHI3)与单层石墨烯(单层率≥90％)按照质量比15:1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℃，在900℃下保温3h；然后自然冷却至室温，加入无水乙醇搅拌均，洗涤3次，离心，得到黑色浆料；然后，在真空烘箱中100℃下烘干12小时，得到碘掺杂石墨烯负极材料。
[0016]该方法制备的碘掺杂石墨烯(I
‑
G)赝电容性负极材料的形貌及成分如图1和图2所示，由图1可以看出，碘掺杂石墨烯保持了纯净石墨烯的褶皱、多层形貌特征；由图2可以直观的看出，组成石墨烯的碳元素和掺杂的杂原子碘的均匀分布情况，以及碘掺杂石墨烯的EDS成分的相对定量分析，不难发现，碘元素已经掺杂到石墨烯中，且含量上远小于石墨烯中的碳，这表明，只是掺杂了部分碘进入石墨烯对原子结构进行了改性修饰，而不是形成了复合材料或者产生其它相变。
[0017]碘掺杂石墨烯的TEM照片如图3所示，图3能进一步佐证碘元素掺杂进入石墨烯并没有改变石墨烯的本身形貌；其高分辨图如图4所示，由图4不难发现其具有一定的晶格条纹，而非无定型碳。
[0018]碘掺杂石墨烯的X射线光电子能谱(XPS)图如图5所示，图5表明碘元素已然存在于石墨烯中，且其掺杂含量为0.1at％，进一步佐证图2的成分分析结果，证明本专利技术实施例1合成方法的成功。
[0019]碘掺杂石墨烯的N2吸附等温曲线如图6所示。该数据测试给出了碘掺杂石墨烯具有很高的比表面积，达到了413.6m2g
‑1。
[0020]电池活性材料制作电池负极并作为水系钙离子电池负极进行三电极电化学性能测试，具体过程如下：a.电池负极的制备将0.8g的碘掺杂石墨烯负极材料、0.1g乙炔黑、0.1g聚偏氟乙烯假如4mL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，在真空烘箱中100℃干燥24小时，裁剪成1cm
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1.5cm的长方形片电极极片，备用；b.电解质的制备将CaCl2不断溶于10mL去离子水，不断搅拌使其溶解，直到常温下有少量CaCl2析出，制得饱和CaCl2电解质，保存备用；c.三电极测试组装将制备的1cm
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1.5cm的长方形电极极片作为工作电极，金属铂片作为对电极，Ag/AgCl作为参考电极，将饱和CaCal2电解质加入三电极装置中，完全浸没三个工作电极的电极区，进行电化学测试；碘掺杂石墨烯作为活性材料进行的电化学性能的测试，测试结果如图7所示。图7主要测试了碘掺杂石墨烯电极材料制作的电池负极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极以及Pt作为对电极情况在，以饱和CaCl2作为电解质，三电极法中测试的恒电流充放电(GCD)曲线。曲线清晰显示该电极材料存在明显的赝电容存储Ca
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碘掺杂石墨烯赝电容性钙离子电池负极材料，其特征是：所述赝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
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可逆地化学吸附/脱附的碘掺杂石墨烯，且石墨烯为单层石墨烯、碘掺杂石墨烯的碘掺杂含量为0.1at％。2.根据权利要求1所述的碘掺杂石墨烯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所述的碘掺杂石墨烯赝电容性钙离子电池负极材料，其特征是：所述赝电容性钙离子电池负极材料制作的赝电容性钙离子电池负极钙离子的存储容量为51F g
‑1，能量密度为4.53Whkg
‑1，功率密度为1617.46Wkg
‑1。4.一种如权利要求1所述的碘掺杂石墨烯赝电...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘建拓，何胜楠，武志俊，高勇，杨亚雄，潘洪革，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：