胡明華，敖克后，潘 淇

(遵義師范學(xué)院 黔北特色資源應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室，貴州 遵義 563002)

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磷烯-石墨烯混合材料的電化學(xué)性能研究

胡明華，敖克后，潘 淇

(遵義師范學(xué)院 黔北特色資源應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室，貴州 遵義 563002)

隨著鈉離子電池的興起，對(duì)其電極材料的研究也越來越引起學(xué)者們的關(guān)注。本文從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，首先進(jìn)行了磷烯-石墨烯混合材料的制備，然后進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果表明該混合材料有較好的電化學(xué)性能，對(duì)后續(xù)鈉離子電池電極材料的研究具有一定的參考作用。

鈉離子電池；電化學(xué)性能；磷??；石墨烯

1 引言

鋰離子電池一般以石墨類碳材料作為電極[1]，但對(duì)于鈉離子電池而言，由于鈉離子的半徑比較大，不能可逆地在石墨碳層間脫碳，所以具有很好嵌鋰能力的石墨不能作為鈉離子電池的電極材料[2]。本文在已有的研究基礎(chǔ)上，選取一種混合材料作為鈉離子電池的電極，其結(jié)構(gòu)是由磷烯[3]嵌入石墨烯[4-5]所組成，在電流密度為50mA/g時(shí)，該混合材料表現(xiàn)出一個(gè)特定的容量值2440mAh/g和適當(dāng)?shù)妮^低的氧化還原電勢(shì)，且磷和鈉發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成Na3P，作為一種電極材料，它不僅有很高的勢(shì)能，單位質(zhì)量下還擁有較高的容量值2596mAh，大大超過其他鈉離子電池電極的可用性。磷烯-石墨烯混合材料的優(yōu)勢(shì)有[6]：①超薄的磷烯最小化在鈉離子和電子之間的擴(kuò)散，導(dǎo)致速度性能增加；②在磷烯氧化還原反應(yīng)電流收集器中，生成的石墨烯層可以促進(jìn)電子的運(yùn)輸；③在磷烯納米片的空間提供了彈性緩沖區(qū)空間去適應(yīng)各向異性的擴(kuò)張。

2 磷烯-石墨稀混合機(jī)制

在磷烯-石墨烯混合材料制備過程中，將等體積的磷烯(17ug/mL)和石墨烯(3ug/mL)分別加入到濃度為0.1mg/mL，體積為20mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，并將含有磷烯的NMP溶液在超聲波環(huán)境下進(jìn)行聲處理10小時(shí)，將含有石墨烯的NMP溶液在超聲波環(huán)境下進(jìn)行聲處理30分鐘。然后將含有磷烯和石墨稀的NMP溶液在不同體積比下，通過攪拌、均勻的混合去完成不同的碳磷(C/P)摩爾比率，如表1所示。然后將混合溶液放入20℃的氬氣套箱內(nèi)，進(jìn)行蒸發(fā)擴(kuò)散，使得磷烯-石墨烯夾層形成自組裝通道。蒸發(fā)擴(kuò)散完成后，用無水乙醇對(duì)樣品進(jìn)行沖洗以去除NMP，然后經(jīng)過加熱快速蒸發(fā)乙醇去獲得粉末狀混合物。

表1 磷烯-石墨烯混合

3 磷烯-石墨稀電化學(xué)性能測(cè)試

在混合結(jié)構(gòu)中的碳磷(C/P)摩爾比是一個(gè)重要的參數(shù)，C/P比是基于單層石墨烯和磷烯的面積比計(jì)算得到的[7]。但在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到真正納米片是由不止一個(gè)單層組成，在電流倍率為0.02C(50mA/g)下分析了不同C/P比值下的磷烯-石墨烯混合物的循環(huán)性能，如圖1所示。其中縱坐標(biāo)表示比容量(mAh/g)，橫坐標(biāo)表示循環(huán)次數(shù)，其結(jié)果表明：隨著循環(huán)次數(shù)增加，4種比例的磷烯-石墨烯混合材料的比容量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但C/P比越大，下降趨勢(shì)越不明顯，表明在相同循環(huán)次數(shù)下，C/P比大的混合材料單位質(zhì)量能夠放出更多的電量，選用C/P=3.46的混合材料作為下文中電化學(xué)分析的實(shí)驗(yàn)材料。

圖1 比容量隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.1 Specific capacity varies with the number of cycles

對(duì)磷烯-石墨烯夾層結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，其結(jié)果如圖2所示，其中縱坐標(biāo)表示比容量(mAh/g)，橫坐標(biāo)表示循環(huán)次數(shù)。當(dāng)電流倍率為0.02C時(shí)，可獲得一個(gè)2440mAh/g的可逆電容值；當(dāng)電流倍率為3C時(shí)，可逆電容值為1450mAh/g；當(dāng)電流倍率為10C，可逆電容值為645mAh/g。此外，磷烯-石墨烯夾層結(jié)構(gòu)在循環(huán)上表現(xiàn)出非常好的容量保留。100次循環(huán)后，倍率在0.02C時(shí)，電容值為2080mAh/g，且在相對(duì)較高的倍率3C和10C下，容量保留值分別是84%和77%。庫侖效率的大小是電極反應(yīng)可逆性的一個(gè)重要指標(biāo)，100次的循環(huán)后，即便是在相對(duì)較高倍率3C和10C下，平均庫侖效率分別是97.6%和99.3%。

圖2 不同電流倍率下比容量隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.2 Specific capacity varies with the number of cycles with the different current ratio

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)論證了磷烯-石墨烯混合材料的高容量值和較高的平均庫侖效率。磷烯-石墨烯混合材料優(yōu)越的電化學(xué)性能可以為鈉離子電池電極材料的研究起到一定的借鑒和參考作用。

[1]楊勇, 龔正良, 吳曉彪，等. 鋰離子電池若干正極材料體系的研究進(jìn)展[J]. 科學(xué)通報(bào), 2012(27):2570-2586.

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Research on the Electrochemical Properties of the Mixed Material of Phosphorene and Graphene

HU Ming-hua,AO Ke-hou,PAN Qi

(The Application Research Lab for Featured Resources of Qianbei,Zunyi Normal College, Zunyi 563002, China)

With the rise of the sodium ion battery, the research on the electrode materials has attracted more and more attention of scholars.From the experiments, the mixed materials of phosphorene and graphene was prepared firstly in this paper ,and then the electrochemical properties was studied. The test results show that the mixed material has excellent electrochemical properties, which would be of certain reference value for the subsequent study of the electrode materials of sodium ion battery.

Sodium ion battery; Electrochemical properties; Phosphorene; Graphene

2016-04-24

胡明華(1967-)，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。主要研究方向：天然產(chǎn)物提取。

TM912

A

1673-6125(2016)03-0031-02