一种二维铋烯的制备方法及锂离子电池与流程

本发明属于新能源相关技术领域，更具体地，涉及一种二维铋烯的制备方法及锂离子电池。

背景技术：

能源对于人类社会发展至关重要，但目前世界每年大部分的能源消耗是化石燃料，带来的温室效应和环境污染严重威胁我们的可持续发展。改变现有能源结构，大力发展风能、太阳能等清洁能源，能有效缓解这些问题。但是这些清洁能源本身固有的随机性、间歇性等缺点，导致难以满足便携式电子设备使用要求，比如太阳能只有在有光的情况下才能顺利发电，但是在晚上或者光线不好情况下很难获取能量，发展让我们随时随地都能用上能源的储能技术至关紧要。

现阶段主流的储能技术包括物理类储能和电化学储能两大类，电化学储能技术具有效率高、投资少、使用安全、应用灵活等优点，非常适合当今能源的发展方向。锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，尤其手机、笔记本电脑等便携式电子设备在社会生活中的普及和大规模使用，大大促进了锂离子电池等电化学储能的开发和使用。但是，锂离子电池虽然能量密度很高，真正使用的负极材料石墨的理论体积容量只有837mah/cm³，这限制了更小体积的便携式储能设备的发展。金属铋具有较高的理论容量3765mah/cm³，这几乎是石墨(837mah/cm³)的4.5倍，是高体积比能量电极材料很好的选择，另外金属铋绿色无污染，具有很好的应用前景。然而，金属铋在新能源储能方面的应用甚少，电极材料只是掺杂有金属铋以改善电极。

金属铋的颜色是从银白色到粉红色，纯铋是柔软的，不纯时比较脆。铋的化学性质在室温下较稳定，铋不与氧气或者水反应，在空气中稳定。中国的铋资源居世界首位，中国已有铋矿70多处，使得中国成为世界铋的绝对优势国家。铋作为可安全使用的“绿色金属”，目前除用于医药行业外，也广泛应用于半导体、超导体、阻燃剂、颜料、化妆品等领域，有望取代有毒铅、锑、镉汞等元素。另外，铋是逆磁性最强的金属，在磁场作用下电阻率增大而热导率降低，在热电和超导方面也有很好的应用前景。

目前，本领域的相关技术人员已经利用不同的方法制备出不同形貌的低维纳米铋材料、铋纳米线、铋纳米管等等，但是铋的二维超薄材料铋烯还没有相关制备技术，部分原因可能是铋前驱体或者水热合成条件很难控制。很多六方晶系材料是由二维材料堆叠构成宏观的晶体结构，而二维材料平面内化学键非常强，层间范德瓦尔相互作用则非常弱，这使得二维材料可以通过各种方法克服层间弱的相互作用力，从其相应块材料剥离得到二维纳米片。现阶段高体积比容量、循环稳定的合金作为负极的技术达到了瓶颈，液相剥离石墨烯、墨磷已有研究，磷烯尽管有较高的容量，但是磷烯在空气中非常容易氧化，怕氧怕水。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种二维铋烯的制备方法及锂离子电池，将铋粉加入剥离溶剂内超声振动预定时间，以得到混合溶剂，离心去除所述混合溶剂中未剥离的铋粉，以取得上清液，采用液相剥离的方法制备二维铋烯，制备工艺简单，且制备的二维铋烯具有较高的体积比容量和循环稳定性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种二维铋烯的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)将铋粉加入剥离溶剂内超声振动预定时间，在超声振动过程中，所述铋粉在所述剥离溶剂的作用下部分被剥离成片状，以此得到带片状铋烯的混合溶剂；

(2)离心去除所述混合溶剂中未剥离的铋粉，以取得上清液，所述上清液中保留有所述片状铋烯；

(3)将得到的所述上清液进行离心真空干燥，以得到片状的二维铋烯。

进一步地，所述剥离溶剂为酒精、异丙醇、n-甲基吡咯烷酮、水中的一种或者几种的组合。

进一步地，所述剥离溶剂为水和酒精按体积比1:1混合得到的溶剂。

进一步地，所述预定时间为5～6(小时)。

进一步地，将所述上清液进行离心真空干燥时的转速大于离心去除所述混合溶剂中未剥离的铋粉时的转速。

按照本发明的另一方面，提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括电极，所述电极的组成成分包括如上所述的二维铋烯。

进一步地，所述二维铋烯的厚度为3～5纳米。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的二维铋烯的制备方法及锂离子电池主要具有以下有益效果：

1.将铋粉加入剥离溶剂内超声振动预定时间，以得到混合溶剂，离心去除所述混合溶剂中未剥离的铋粉，以取得上清液，采用液相剥离的方法制备二维铋烯，制备工艺简单，且制备的二维铋烯具有较高的体积比容量和循环稳定性；

2.将二维铋烯用作电极材料的锂离子电池在0.5c(1883ma/cm³，190ma/g)电流密度下进行恒电流充放电，循环150次后仍保持初始容量的90％左右，具有较好的循环特性；

3.二维铋烯的厚度为3纳米～5纳米，经过实验证明，二维铋烯在不同电流密度下的体积容量几乎没有明显衰减，具有较好的倍率性能。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的二维铋烯的制备方法的流程示意图；

图2是采用图1中的二维铋烯的制备方法制备的二维铋烯的原子结构模拟示意图；

图3是图1中的二维铋烯的制备方法涉及的前驱体铋粉断面扫描电子显微镜(sem)图；

图4是采用图1中的二维铋烯的制备方法制备的二维铋烯透射电子显微镜(tem)图片；

图5是采用图1中的二维铋烯的制备方法制备的二维铋烯原子力显微镜(afm)图片；

图6是采用图1中的二维铋烯的制备方法制备的铋烯分散液胶体的丁达尔效应光学照片；

图7是采用图1中的二维铋烯的制备方法涉及的铋的x射线衍射(xrd)示意图；

图8是铋粉和采用图1中的二维铋烯的制备方法制备的铋烯与前驱体铋粉拉曼光谱图；

图9是采用图1中的二维铋烯的制备方法制备的铋烯应用在锂离子电池中，第1、4、5次cv曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1至图4，本发明较佳实施方式提供的二维铋烯的制备方法，所述制备方法为液相剥离制备方法，具有高质量、高产和超薄的结构特点，制备的二维铋烯的厚度在3纳米～5纳米，尺寸为500nm左右。

所述的二维铋烯的制备方法主要包括以下步骤：

步骤一，将铋粉加入剥离溶剂内超声振动预定时间，以得到混合溶剂，其中，所述剥离溶剂用于将所述铋粉进行剥离，以得到片状的铋烯。具体地，所述剥离溶剂为酒精、异丙醇、n-甲基吡咯烷酮、水中的一种或者几种的组合；所述预定时间为5～6小时；所述混合溶剂带有片状铋烯。

本实施方式中，所述剥离溶剂为水和酒精按体积比1:1混合组成的混合溶剂；可以理解，在其他实施方式中，所述剥离溶剂可以为其他溶剂，如异丙醇、n-甲基吡咯烷酮。

步骤二，离心去除所述混合溶剂中未被剥离的铋粉，以取得上清液。本实施方式中，采用低速离心去除所述混合溶剂中未剥离的铋粉，以取得上清液，所述上清液中保留有所述片状铋烯，高速将得到的所述上清液进行离心干燥，以得到二维铋烯，真空干燥时的转速大于离心去除所述混合溶剂中未剥离铋粉时的转速。

请参阅图5至图9，图步骤三，将得到的所述上清液进行离心真空干燥，以得到二维铋烯。具体地，所述二维铋烯的厚度为3纳米～5纳米，尺寸为500纳米左右。其中，图8中的实线表示商用铋粉的光强随波长偏移量的变化曲线；虚线表示本发明提供的二维铋烯的制备方法制备的二维铋烯的光强随波长偏移量的变化曲线。

本发明提供的二维铋烯的制备方法制备的二维铋烯具有高质量及超薄的结构特点，且具有很高的体积比容量和良好的循环性能，且稳定，环保无污染。

所述二维铋烯可以用于制备电极。具体地，将所述二维铋烯、导电剂、粘结剂按照一定比例调制成均匀浆料后就涂覆到铜箔上，并进行真空干燥以得到电极片；之后，采用手套箱将所述电极片进行封装，以得到锂离子电池。

如表1所示，采用相同质量的铋粉、不同剥离溶剂制备二维铋烯，所述铋粉的质量为8克，所述剥离溶剂的体积为800毫升。自表1可以看出，在表1中的几种剥离溶剂中，当采用的剥离溶剂为酒精和水的混合剂时，制得的二维铋粉的质量最大。

表1

表2显示了不同的电流密度下的二维铋烯的体积容量，不同的电流密度下，铋烯体积容量普遍大于块体铋烯体积容量，其中二维铋烯体积容量在电流密度0.1c时最大。

表2

表3显示出了电流密度为0.5c(1883ma/cm³)、不同循环次数时的循环容量，可见，不同的循环次数时，二维铋烯的体积容量普遍大于块体铋粉的体积容量。

表3

表4分别给出了二维铋烯和商用石墨在不同循环次数时的体积容量，可见，在不同的循环次数下，二位铋烯的体积容量普遍大于商用石墨的体积容量，其随着循环次数的增加逐渐以较小的幅度减小。

表4

本发明提供的二位铋烯的制备方法及锂离子电池，所述制备方法工艺简单，制备得到的二维铋烯具有较高的体积比容量、循环稳定性及倍率性能，其作为电极材料的锂离子电池具有较好的循环特性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。