[发明专利]石墨烯基超小卤氧铋纳米颗粒的复合物电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯基超小卤氧铋纳米颗粒的复合物电极材料的制备方法及其应用。材料以石墨烯为基底，在石墨烯表面均匀生长了超小卤氧铋纳米颗粒，制备是通过一种空间限域方式直接在氧化石墨烯基底上原位生长超小卤氧铋纳米颗粒，再经过煅烧处理将氧化石墨烯还原以得到复合物气凝胶，这些气凝胶被压实成柔性的薄膜，直接作为电池电极材料。本发明材料原料来源广，具有较低的制备成本；该电极材料的结构稳定且比容量高，极大地提高了材料的电化学活性；制备方法工艺简单、还原温度低，制备过程中能耗低，有望大规模制备高性能柔性电子器件。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域的一种碱金属离子电池电极材料及其制备方法，具体涉及了一种石墨烯基超小卤氧铋纳米颗粒的复合物电极材料及其制备方法。

背景技术

现如今碳排放导致气候的急剧变化和化石燃料的减少正在要求寻找绿色可再生能源进行替代从而走向可持续发展道路。目前广泛使用的可再生能源主要来自太阳能和风能，因为太阳晚上不发光，风不随需而散，而期望汽车至少有几个小时的续航能力，能量存储技术开始在生活中发挥着越来越重要的作用。尽管可用于大规模应用的能量存储技术已有四种类型：机械，电气，化学和电化学，但通过抽水进行的机械储能系统仍占据主导地位，这也因此产生了巨大的维护成本。在这些前沿储能技术中，具有能量密度高、循环寿命长、使用成本低以及部署灵活性等优点的电化学储能技术成为了最具潜力的选择之一。

随着对低成本和高功率电化学储能系统的需求不断增加，卤氧铋(BiOX，X＝Cl，Br和I)作为可再充电二次碱金属离子电池中新的电极材料的研究最近引起了人们的关注。BiOX是一类V–VI–VII三元化合物半导体，它们通常表现为类似于PbFCl型的四方结构(空间群P4/nmm)，其[X–Bi–O–Bi–X]单原子层沿c轴堆叠。[Bi₂O₂]²⁺层中的铋原子和氧原子通过强共价键连接，而[Bi₂O₂]²⁺层与两层卤素离子之间的相互作用为较弱的范德华瓦尔斯力。独特的层状结构使BiOX具有令人着迷的物理化学特性和合适的能带结构，并且还具有较高的化学和光学稳定性，以及兼具无毒，低成本和耐腐蚀性等优点。BiOX作为电极材料，具有理论容量高、宽的工作电压窗口以及较低的充放电平台等优点，而且BiOX中的范德华间隙可以作为快速的离子扩散途径，尤其是对于半径较大的金属离子而言，并且充放电过程中形成的金属Bi可以增强电极基质的电导率。然而，由于缺乏有效的合成方法，目前关于尺寸小于10nm的超小型BiOX纳米晶体用于电化学储能的研究少见于报道。

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基于空间限域方式制备石墨烯基超小卤氧铋纳米颗粒复合电极材料的方法与应用。在空间限域方式下，通过调节GO水分散液的pH值以调控GO片层的堆叠状态从而可控制备尺寸可调的卤氧铋纳米颗粒。该复合电极材料以石墨烯为基底，在石墨烯的表面生长有卤氧铋纳米颗粒，并且该卤氧铋纳米颗粒尺寸可调，具有较高的比容量、较长的循环寿命和较低的制备成本。

本发明通过静电/配位相互作用将氧化石墨烯与BiOX原位复合，再通过煅烧还原氧化石墨烯将其转化为石墨烯基超小卤氧铋纳米颗粒复合物气凝胶。这些气凝胶可以被压实成薄膜，制备出高性能的自支撑柔性电极材料，解决BiOX类材料导电性差的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

(1)制备氧化石墨烯水溶液：

(2)制备超小卤氧铋纳米颗粒与氧化石墨烯的复合物；

(3)制备石墨烯基超小卤氧铋纳米颗粒复合物S-BiOX-G，作为复合物电极材料。

所述步骤(1)具体为：

(1.1)在常温条件下边搅拌边将石墨粉加入至浓硫酸中，然后加入硝酸钠，获得混合物，将混合物置于冰浴中等待体系温度冷却至0℃；