[发明专利]基于离子吸附可控制备纳米多孔石墨烯柔性电极的方法

说明书

本发明公开了一种基于离子吸附可控制备纳米多孔石墨烯柔性电极的方法。将氧化石墨烯水溶液超声分散后，置于冰水浴中磁力搅拌，同时滴加FeCl₃溶液，后离心分离得到GO/Fe³⁺前驱体；冷冻干燥，在惰气下煅烧，再利用稀HCl洗涤，用去离子水洗涤至中性后得到纳米多孔石墨烯；再分散于乙醇/水中，超声使分散均匀后进行抽滤，得到滤饼，将滤饼烘干后辊压得到柔性纳米多孔石墨烯电极片，作为负极组装钾离子电池。本发明方法简单、适合规模化制备纳米多孔石墨烯，制备的石墨烯孔径均一可控，具有优异的充放电比容量和良好的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及了一种柔性电极制备方法，尤其是涉及一种纳米多孔石墨烯柔性电极的可控制备方法。

背景技术

锂离子电池(LIBs)由于效率高、能量密度大和循环寿命长等特点，已成功应用于商业可充电电池。然而，由于地球上锂资源有限并且分布不均，LIBs在未来大规模储能应用中面临着严重的成本问题。因此，钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)由于其低成本和资源丰富而引起了极大的关注。与Na⁺/Na(-2.71V vs标准氢电极)相比，K⁺/K的氧化还原电位更低，更接近Li⁺/Li(-2.93V和-3.04V vs标准氢电极)。因此，PIBs比SIBs具有更高的开路电位和能量密度。此外，K+较弱的路易斯酸性导致液体电解质中溶剂化离子的斯托克半径更小，具有更快的动力学特征。因此，PIBs是大规模储能设备的有潜力的候选者。

然而，寻找合适的电极材料以适应更大的K⁺(半径：)仍然是一个巨大的挑战。在迄今为止报道的各种材料中，石墨烯由于其固有特性，例如高能量密度，良好的导平面导电性、优异的拉伸模量和机械耐久性等，在PIBs的应用中引起了特别关注。然而，石墨烯基材料的实际应用表明，由于其高比表面积石墨平面之间的强范德华力和π-π相互作用，原始石墨烯易于堆积。堆积将导致石墨烯的活性表面大量减少并阻碍离子传输，大大降低了基于石墨烯电极的充电/放电容量，特别是在高充电/放电速率下。将孔引入石墨烯的基面将减少充电/放电过程中离子迁移的扩散距离，可以有效改善电极动力学和质量传输问题。此外，孔的引入会在石墨烯的基面产生更多的缺陷，这使得石墨烯可以提供更多的活性位点，大大提高电化学性能。目前已经开发了各种方法，例如光催化氧化、化学蚀刻(例如KOH、H₂O₂、HNO₃和NaI)、金属或金属氧化物蚀刻(例如Ni、Fe、Cu和Co)和空气氧化来制备纳米多孔石墨烯。其中，金属氧化物蚀刻法由于不涉及腐蚀性/危险化学品(例如H₂O₂和KOH)，因此被广泛用于制备纳米多孔石墨烯。然而，已有报道的金属氧化物蚀刻工艺极易形成大孔结构，损害石墨烯的导电性、电化学和结构稳定性，从而降低功率密度和库仑效率，缩短循环寿命。因此，开发工艺简单、孔径可控的纳米多孔石墨烯对PIBs的大规模应用具有重要意义。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种低成本、可控且有效的策略，制备具有纳米孔的多孔石墨烯，来减少可充电电池充电/放电过程中离子迁移的扩散距离，改善电极动力学和质量传输问题。同时将多孔石墨烯制备成柔性电极直接用于可充电电池来提高电极的导电性。

为解决上述技术问题，如图8所示，本发明采用如下技术方案：

S1.将氧化石墨烯(GO)水溶液超声分散，置于冰水浴中进行磁力搅拌，同时按一定的摩尔比滴加FeCl₃溶液，滴加完成后将所得溶液进行离心分离，将得到的沉淀物用去离子水洗涤，并真空冷冻干燥，得到GO/Fe³⁺前驱体；

S2.将冷冻干燥后的GO/Fe³⁺前驱体在惰性气体保护下进行煅烧，后用稀HCl溶液进行洗涤，再用去离子水洗涤至中性，离心分离，真空冷冻干燥得到纳米多孔石墨烯；