[发明专利]一种多边缘石墨烯的制备方法及其制备的铝离子电池

说明书

本发明公开了一种多边缘石墨烯的制备方法及其制备的铝离子电池，所述制备方法步骤如下：去除镍颗粒表面氧化层并使镍颗粒相互连接；然后在成片的镍颗粒表面生长石墨烯，形成覆盖石墨烯的镍网结构；接着在覆盖石墨烯的镍网结构表面覆盖一层PMMA，得到PMMA/石墨烯/镍网结构；再用酸去除金属镍，得到PMMA/石墨烯结构样品；最后去除PMMA得到多边缘石墨烯。本发明使用镍微粒作为模板和催化剂通过化学气相沉积工艺在低温制备改善能量密度、优异机械强度和优异导电性能的独立式多边缘石墨烯，是可充电铝离子电池优异的正极材料，该方法实现了低能耗和低成本，有利规模化量产，基于多边缘石墨烯的铝离子电池具有宽的工作温度范围和高的库仑效率。

技术领域

本发明涉及石墨烯电极材料、铝离子电池技术领域，尤其涉及一种多边缘石墨烯的制备方法及其制备的铝离子电池。

背景技术

为了满足高效大规模储能行业的迫切需求，开发先进的储能装置一直以来都备受关注。在新兴的各种电池中，锂离子电池(LIBs)虽然其成本高，存在安全问题及自然界锂金属资源稀缺等，但仍被广泛采用。另一方面，铝离子电池(AIBs)因为理论容量高，资源丰富，成本低，铝金属负极安全，所以其可能是理想的储能装置。然而，传统的铝离子电池(AIBs)存在循环寿命短，放电电压低的问题。这些因素导致铝离子电池(AIBs)仍然无法与锂离子电池和超级电容器竞争。为了解决这些问题，大量的研究集中于开发新的正极材料，例如包括碳，过渡金属氧化物和硫化物基材料。通过这些努力，正极的性能得到了显着改善。尽管如此，这些材料仍然不能满足实际应用的需要，因为复杂的合成工艺和较低的容量阻碍了其商业电池的大规模制造。因此，开发先进的铝离子电池(AIBs)和新的电极材料显得至关重要。

近年来，石墨烯被证明用于铝离子电池的电极材料是很有前景的，因为它们不仅具有良好的机械性能，而且具有高的电子导电性。良好的机械性能可以保持电极在循环过程中体积变化保持结构完整性，高电子传导性为电子传输提供了快速通道，因此提高了大电流密度下充放电的循环稳定性。目前已知报道的石墨烯制备方法都是在1000℃高温下制备，能耗大，生产成本高。因此，目前使用低能耗方法制备高质量石墨烯作为可充电铝离子电池正极仍是一项巨大挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种可实现低能耗和低成本生产，有利于大规模量产的多边缘石墨烯的制备方法及其制备的铝离子电池。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多边缘石墨烯的制备方法，所述制备方法步骤如下：

去除镍颗粒表面氧化层并使镍颗粒相互连接；

在成片的镍颗粒表面生长石墨烯，形成覆盖石墨烯的镍网结构；

在覆盖石墨烯的镍网结构表面覆盖一层PMMA，得到PMMA/石墨烯/镍网结构；

用酸去除金属镍，得到PMMA/石墨烯结构样品；

去除PMMA得到多边缘石墨烯。

进一步的，所述去除镍颗粒表面氧化层并使镍颗粒相互连接的方法为使用镍颗粒作为三维模板和催化剂，即将镍颗粒清洗干净，放入石英舟中并将其放入水平管式炉中，然后在真空下加热至400-650℃，然后连续通入氩气和氢气，在恒温下退火10-20min，去除镍颗粒表面的氧化层并使镍颗粒连续相互连接。

进一步的，所述镍颗粒尺寸为200nm-4000nm，鉴于生产成本及能耗考虑，进一步优选的镍颗粒尺寸为1-3um。

进一步的，所述通入管式炉的氩气流量为600-800sccm，氢气流量为70-100sccm。

进一步的，所述在成片的镍颗粒表面生长石墨烯采用将一定流量的甲烷气体通入反应管式炉内，并持续通入气体3-10min；然后关闭甲烷气体，在600-800sccm氩气和70-100sccm氢气环境下以150-250℃min-1的速率下快速冷却至室温。