[发明专利]一种FeP/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极的制备方法

说明书

本发明公开了一种FeP/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极的制备方法，本发明属于电化学领域；具体步骤：S1、氧化石墨烯加入水中，超声后得到氧化石墨烯溶液；S2、取适量铁源加入到氧化石墨烯溶液中，添加含氮有机物，超声，进行水热反应，冷却，洗涤，干燥，磷化处理，制备得到FeP/氮、磷共掺杂石墨烯；S3将S2得到的复合纳米材料作为储钠活性物质制得复合电极。本发明以氧化石墨烯、铁源和含氮有机物为原料，通过水热和冷冻干燥等方法成功制备出FeP/氮、磷共掺杂石墨烯储钠复合电极，该方法成本低廉，能耗较低，纳米颗粒分布均匀，具有优异的钠离子性能。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种FeP/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极的制备方法。

背景技术

随着储能电源和电动车电源的发展，钠离子电池因其资源丰富，价格低廉，安全性能好，电化学性能稳定等优势成为近年来研究的热点。然而钠离子电池负极材料的商业化面临一些问题，由于钠离子半径比锂离子的半径大42%，传统商品化的锂离子电池负极材料并不适合钠离子的嵌入和脱出，开发高容量、高循环稳定性、具有良好性能的负极材料变得十分重要。

过渡金属磷化物在钠离子电池中表现出巨大的前景，因于他们丰富的自然含量和高的理论钠离储存容量。这些优点很好的满足了下一代钠离子负极材料的高能量密度和成本廉价的需要。然而，由于钠离子与金属磷化物在钠化过程中产生巨大的不可逆体积变化（大于300%），从而引起电极上活性物质的粉碎和团聚，最终导致活性物质的失活和电池内阻的增加。前人的研究表明，通过把电极材料组装成纳米结构或者与碳材料复合均是有效的途径来提升它们在钠离子电池中的性能。纳米结构能够缩短钠离子的传导路径缓解活性材料的结构和体积变化，同时还能增加电极与电解液的接触面积，增加反应位点和反应活性。复合的碳材料能作为缓冲层来限制活性物质的团聚和粉碎，同时也能提供良好的导电性。目前制备FeP纳米粒子及其与石墨烯复合材料的技术一般是采用三聚氰胺、可溶性碳源与可溶性金属铁盐在原位形成的“二维纳米反应器”的诱导和限制作用下生成，但是利用含氮有机物既作为还原剂又作为粘接剂，采用简单一步水热及冷冻干燥等技术制备出FeP/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极的方法还未见报道。此外，为了改善石墨烯的电化学性能，通过在石墨烯中掺杂其它异质原子如氮(N)、磷(P)、硼(B)、硫(S)等杂原子，增大石墨烯层间距、改善局部电子结构以及电子电导率来增强其储钠性能。

发明内容

针对目前传统的钠离子电池负极材料导电性能较差，电池充放电循环过程中体积膨胀导致粉体脱落其比容量衰减过快等不足，本发明提出FeP/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极的制备方法，可改善钠离子电池负极材料的结构稳定性和电化学性能，提高材料在充放电过程下的循环性能和倍率性能，所述复合电极具有高的电化学储钠容量，优异的循环性能和增强倍率的特性，具有广泛的应用前景。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明首先提供一种FeP/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极，所述复合电极具有三维结构的还原氧化石墨烯黑色凝胶，石墨烯表面原位复合有FeP颗粒；所述的FeP纳米颗粒均匀一致，粒径为30~80 nm；石墨烯为改性石墨烯，表面和层间掺杂有氮、磷原子。

本发明还提供一种FeP/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极的制备方法，包括如下步骤：

S1. 将氧化石墨烯分散在水中，超声后得到氧化石墨烯溶液；

S2. 往S1所述的氧化石墨烯溶液中添加一定量的铁源，加入含氮有机化合物超声混匀，进行水热反应，自然冷却后进行冷冻干燥处理，得到含氮石墨烯水凝胶；然后，加入磷化剂，置于管式炉中，通入氮气或氩气进行退火处理，得到复合纳米材料；

S3. 将S2所述的复合纳米材料作为电化学储钠活性物质，与乙炔黑、粘结剂混合搅拌，调成均匀的浆料，涂抹于作为集流体的铜箔上，干燥，滚压得到FeP/氮、磷共掺杂石墨烯电化学储钠复合电极。