[发明专利]一种红磷/氮掺杂石墨烯复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种红磷/氮掺杂石墨烯复合负极材料及其制备方法和应用，先将氮掺杂石墨烯和红磷按质量比为(2～4)：(8～6)混合均匀，得到混合物；在保护气氛下，将得到的混合物进行球磨，得到红磷/氮掺杂石墨烯复合负极材料。本发明利用具有良好电子电导率的氮参杂石墨烯材料作为基底材料，通过和红磷球磨，使得绝缘红磷粒子在球磨的过程中能够很好的分散在导电性氮参杂石墨烯材料中，此复合物比表面积很大，提高整体的电导率和增加与电解液的接触面积、缓解了磷基材料在钾离子的脱嵌过程中由于体积膨胀会引起的结构的坍塌和粉化以及增加了钾离子扩散速率；作为钾离子电池负极材料，具有较高的可逆容、优异的倍率性能及循环稳定性。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体涉及一种红磷/氮掺杂石墨烯复合负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

21世纪来，最严峻问题就是能源和环境。而不可再生的能源会造成大面积的环境污染，如今许多地区的雾霾天气就说明了这种情况。所以开发新型的可再生能源尤为必要。近年来，工业化生产中应用最多的是锂离子电池，但是随着锂离子电池的深入发展锂资源的匮乏问题越来越严重，锂元素在地壳中仅占0.007％，是一种稀有金属，这不仅使锂离子电池的成本居高不下，而且从长久范围内考虑，限制了锂离子电池的发展和应用。

钠元素和钾元素与锂元素均处于元素周期表中第一主族，电化学性质相似，也能够实现可逆充放电的过程，而且钠元素和钾元素在地壳中的储藏量非常丰富，分别约占2.09％和2.36％。但是由于钠离子电池的氢电位(-2.71V vs E°)和锂离子电池(-3.04V vsE°)相比使得钠离子电池的能量密度相对低，使其在实际应用中受到阻碍。钾离子电池的氢电位(-2.93V vs E°)和锂离子电池很接近，而且较高的能量密度以及低成本使得钾离子电池在实际应用中具有很好的前景。

红磷具有资源丰富、价格低廉以及理论比容量(2596mAh/g)较高等优势。然而，红磷在循环过程中体积变化较大以及较低的电子电导率(10^-14S/cm)导致的实际比容量偏低，表明红磷负极的电化学性能仍需要进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种红磷/氮掺杂石墨烯复合负极材料及其制备方法和应用，该复合负极材料中红磷均匀地分散在氮掺杂石墨烯材料颗粒中，应用于钾离子电池中，能够提高电池的倍率性能及循环稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括以下步骤：

(1)将氮掺杂石墨烯和红磷按质量比为(2～4)：(8～6)混合均匀，得到混合物；

(2)在保护气氛下，将步骤(1)得到的混合物进行球磨，得到红磷/氮掺杂石墨烯复合负极材料。

进一步地，氮掺杂石墨烯的制备步骤包括：将GO溶液与氰胺溶液混合，在搅拌下于60～80℃加热1～4小时，然后将水蒸发掉，得到深灰色的GO-氰胺粉末，将GO-氰胺粉末放入管式炉中，通入氮气后升温反应，制得氮掺杂石墨烯，其中GO和氰胺的质量比为(1～2)：(1～50)。

进一步地，升温反应是升温至800～1000℃反应0.5～5h。

进一步地，步骤(2)中球磨2～40h。

进一步地，步骤(2)中的保护气氛为氩气。

本发明负极材料的技术方案是：包括球磨均匀的氮掺杂石墨烯和红磷，其中氮掺杂石墨烯和红磷的质量比为(2～4)：(8～6)。

进一步地，该负极材料由平均粒径在40～80nm的颗粒组成。

如上所述红磷/氮掺杂石墨烯复合负极材料在制备锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：