[发明专利]基于自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜的钠电池

说明书

本发明公开基于自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜的钠电池，钠为负极，碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯的高氯酸钠溶液为电解质溶液，自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜为正极。在自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜的制备中，将均匀分散有氧化石墨烯的去离子水均匀设置在基底上，形成液膜，在空气气氛中干燥，得到氧化石墨烯薄膜；将氧化石墨烯薄膜浸入到由乙腈和氢氟酸所组成的混合液中，密闭加热保温，以实现氟氮元素对氧化石墨烯薄膜的掺杂。本发明采用了铸型干燥法制备得到的氧化石墨烯，不仅克服了真空过滤法耗时的缺点，也使得制备得到的氧化石墨烯具有更好的机械性能和韧性，钠离子电池具有优异的电学性能。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，更加具体地说，涉及一种基于自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜的钠电池。

背景技术

钠离子电池因为全球丰富的钠资源和与锂离子电池相同的储能机理而被认为最有希望在未来取代锂离子电池的位置。然而钠离子过大的离子半径则对钠离子电池的电极材料提出了近乎苛刻的要求。氟氮掺杂石墨烯材料因为其既具有普通碳材料较大的层间距，又具有优良的电导率和电化学活性，而被认为是目前最有发展前景的钠离子电池的电极材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有碳材料的缺陷，提供一种基于自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜的钠电池，使用自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜并提供自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜材料及其制备方法，该方法操作简单，快速环保。制备得到的自支撑氟碳掺杂石墨烯膜具有良好的机械性能和微观结构，由其制备得到的电极具有较好的韧性，适用于作为可折叠钠离子电池的电极材料，在可穿戴电子设备领域拥有广阔的应用前景。

自支撑氟氮掺杂石墨烯是通过对氧化石墨烯进行水热处理而得到的，传统的氧化石墨烯是通过真空过滤法制备得到的。而我们则采用了铸型干燥法制备得到的氧化石墨烯，不仅克服了真空过滤法耗时的缺点，也使得制备得到的氧化石墨烯具有更好的机械性能和韧性。而自支撑氟氮掺杂石墨烯膜的掺杂程度和机械性能也可以通过水热温度来进行调节，从而实现了氟氮掺杂石墨烯材料的可控制备。

一种基于自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜的钠电池，钠为负极，自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜为正极，碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯的高氯酸钠溶液为电解质溶液，其中碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯的体积比为1:1，高氯酸钠的浓度为1mol/L；自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜中，氮元素的掺杂量平均可达2—9.5％，氟元素的掺杂量平均可达1—2％，并按照下述步骤进行制备：

步骤1，将均匀分散有氧化石墨烯的去离子水均匀设置在基底上，形成液膜，在空气气氛中50—80摄氏度下干燥，得到氧化石墨烯薄膜；

在步骤1中，干燥时间为20—24小时。

在步骤1中，将氧化石墨烯超声振荡分散在去离子水中，得到2—10mg/mL的氧化石墨烯水溶液(即氧化石墨烯溶解形成棕色溶液)。

步骤2，将氧化石墨烯薄膜浸入到由乙腈和氢氟酸所组成的混合液中，密闭加热至90—180摄氏度，不含90摄氏度和180摄氏度两个端点，保温24—48小时，以实现氟氮元素对氧化石墨烯薄膜的掺杂；由乙腈和氢氟酸所组成的混合液中，氢氟酸为质量百分数为40—50％氢氟酸的水溶液，乙腈和氢氟酸的体积比为(20—30)：(1—5)。

在步骤2中，密闭加热至100—150摄氏度，保温24—36小时。

在步骤2中，乙腈和氢氟酸的体积比为(20—25)：(1—3)。

在步骤2中，乙腈的纯度为99％。

在完成氟氮元素对氧化石墨烯薄膜的掺杂后，将产物冷却至室温后用去离子水除去残余试剂，之后在真空干燥箱中以50—60℃干燥20—24h。

利用上述方案得到的自支撑氟氮掺杂石墨烯薄膜材料切成固定尺寸的圆盘，即可得到自支撑氟氮掺杂石墨烯电极，与金属钠、碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯的高氯酸钠溶液为电解质组装成钠离子电池。