[发明专利]一种铋单质纳米片复合电极的制备方法及其应用

说明书

本发明是一种铋单质纳米片复合电极的制备方法及其应用，其特点是，包括的步骤有：将铋单质金属置于溶液中，超声得到前驱体分散液；提取前驱体分散液；将提取的前驱体分散液还原，制备出铋单质纳米片；将铋单质纳米片与石墨烯复合，制备出复合电极；将步骤复合电极组装入能源存储器件中。本发明是利用液相剥离法将体相为层状的材料剥离成超薄二维单质纳米片，采用真空抽滤法制备得到Bi/rGO复合电极材料，并将其应用于钠离子等电池负极材料、以及电容器中。具有制备工艺简单，重复性好；而且所用原料储量丰富，绿色环保；制备的复合电极材料比容量高，循环性能好，倍率性能好。

技术领域

本发明属于能源存储材料技术领域，特别涉及一种铋单质纳米片复合电极的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，欧洲各国陆续宣布规模量生产纯电动车，标志着汽车新时代的到来。我国经济保持快速增长使得石油资源的消耗量急剧增加，其中汽车工业油耗占石油消耗总量的一半左右。面对全球石油资源日渐枯竭的挑战及全球发展的主流，发展节能与新能源汽车产业，纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向，当前国家政策重点推进纯电动汽车（EV）和混合动力（CPHEV）汽车产业化（节能与新能源汽车产业发展规划，2012-2020年，国发[2012] 22号）。因此，大力发展可充放电电池、超级电容器等新型能源存储器件，已成为新能源体系的重要组成部分。通常，钠、锂离子电池和超级电容器的比容量、循环寿命、工作电压等性能指标主要是由电极材料的性能所决定。因此，本领域技术人员在电极材料的研究方面开展了大量的工作，当前主要集中在新材料、新制备方法、新改性途径等方面。

现有的石墨碳负极作为钠离子电池容量仅为30-40 mAh g⁻¹，因此一些理论容量高，电化学活性高的金属、金属氧化物越来越受到大家的关注，如：锡（Sn），锑（Sb），铋（Bi），二氧化锡（SnO₂），氧化锑（Sb₂O₄）。其中铋金属储钠理论容量高达386 mAh g⁻¹（3783 mAh cm⁻³）^[17]是理想的负极材料。但不幸的是，材料在脱嵌钠过程中，钠离子的嵌入使铋体积发生巨大膨胀，钠离子脱出后材料发生粉碎，降低了体系的导电性，从而导致容量的迅速衰减。针对缓解体积膨胀的改善方案主要有：对材料尺寸采用纳米级，改善电解液和粘结剂对电极集流体和电极结构的改变，合金化及与其他材料进行复合制备复合材料及采用多孔结构来提高体积膨胀的空间。铋位于元素周期表中V族（氮族）的底部，是一种后过渡金属，结构为层状类似于同系的砷和锑。层状材料是层内以强的共价键或离子键结合而成，而层与层之间依靠弱的范德华力堆叠在一起的一类新型材料。由于层间弱的相互作用力，在外力的作用下，层与层很容易相互剥离，从而可以形成二维层状材料。

因此，基于半金属铋层状材料的特性，用简单的机械剥离方法及常温还原方法制备具有二维结构的单质铋纳米片，并充分利用其高比表面积的优势拟作为钠离子电池负极材料进行电化学性能的探究和创新，推动储能领域的技术进步。

发明内容

本发明提供了一种铋单质纳米片复合电极的制备方法及其应用，利用液相剥离法将体相为层状的材料剥离成超薄二维单质纳米片，通过纳米化方式缓解材料体积膨胀的缺陷，大幅度提升其电化学性能；而且制备工艺简单，重复性好；同时所用原料储量丰富，绿色环保；另外所制备的复合电极材料比容量高，循环性能好，倍率性能好。并提供其应用。

为了实现上述目的， 本发明采用的技术方案是：一种铋单质纳米片复合电极的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）将铋单质金属置于溶液中，超声得到前驱体分散液；

（2）提取步骤（1）制得的前驱体分散液；

（3）将步骤（2）提取的前驱体分散液还原，制备出铋单质纳米片；

（4）将步骤（3）所述的铋单质纳米片与石墨烯复合，制备出复合电极。