一种石墨烯/磷化铟复合电极材料及其制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯/磷化铟复合电极材料及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长且无记忆效应等优点而被广泛应用于便携式电子设备中。近几年，电动设备的发展对锂离子电池的功率密度和能量密度提出了更高的要求，而电极材料是锂离子电池性能提高的决定性因素。但目前商业化的锂离子电池负极材料石墨理论容量偏低，限制了锂离子电池电化学性能的提高，因此设计和制备高性能锂离子电池负极材料是满足锂离子电池向电动设备发展的关键因素。

磷化铟(InP)，作为锂离子电池负极材料，其理论容量高，电化学活性高，存在特殊的电化学嵌锂性能，作为锂离子电池负极材料极具潜力。但在充放电过程中，由于脱锂/嵌锂产生的应力使得磷化铟结构发生膨胀塌陷，活性位点减少，导致放电容量的迅速衰减。磷化铟的纳米化和与碳材料复合是两种改善材料电学性能的方法。然而目前仅有磷化铟与碳材料复合的相关报道，尚无报道磷化铟与石墨烯的复合方法。

石墨烯由于具有超高的导电性、超大的比表面积和稳定的机械性能等诸多特性展现出各种潜在应用价值，是当前科学领域研究的热点。如果能将磷化铟纳米颗粒负载于石墨烯的表面，则可以从结构上限制磷化铟在充放电过程中的体积膨胀与收缩，同时石墨烯具有很好的导电性，可以提高电子的传导速率。因此，通过石墨烯复合磷化铟可以有效的提高其电学性能。目前，有关石墨烯/磷化铟复合材料这类新型电极材料制备的研究报道也远不如其它复合物多，因而研究其制备方法具有非常重要的意义和广阔的应用前景。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯/磷化铟复合电极材料及其制备方法，合成简单，制备的复合材料性能好。

一种石墨烯/磷化铟复合电极材料的制备方法，首先在碱性环境下，采用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵对氧化石墨烯溶液进行超声处理，然后加入0.25～0.75mmol的铟盐，搅拌均匀后，转入反应釜内，加入0.2～0.6g磷，在120℃-180℃水热反应8-16小时，最后冷却、洗涤、干燥即可，其中，氧化石墨烯的用量为：2.5-10mmol。

所述氧化石墨烯溶液的制备方法为：将20-30mL蒸馏水、2～12mL碱性溶液和2.5～10mg氧化石墨烯混合后，超声分散均匀。

所述的碱性环境通过添加乙二胺或三乙烯四胺实现，所述乙二胺或三乙烯四胺的用量为2～12ml。

水热反应在聚四氟乙烯内衬内进行，所述的聚四氟乙烯内衬密封在不锈钢磨具中。

所述的聚四氟乙烯内衬的填充度为60％-80％。

所述冷却为随炉冷却至室温。

所述的洗涤为依次分别用去离子水、苯和无水乙醇洗涤。

所述干燥是在真空干燥箱中进行。

所述干燥是在50～60℃下真空干燥4h～8h。

一种石墨烯/磷化铟复合电极材料，该材料在电流密度为50mA/g时，充放电100圈以后，充放电比容量仍能保持在800mAh/g。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明方法生成的磷化铟可以有效阻碍石墨烯的团聚，同时石墨烯为磷化铟提供锚定的三维空间，石墨烯优良的导电性加快了电子的迁移，为磷化铟充放电时体积膨胀与收缩预留了足够的空间，复合材料电学性能相对单一组分有了显著的提高。

【附图说明】

图1为实施例1制备的还原氧化石墨烯/磷化铟复合材料的XRD图。

图2为实施例1制备的还原氧化石墨烯/磷化铟复合材料的SEM图。

【具体实施方式】

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种石墨烯/磷化铟复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)向锥形瓶中加入体积20～30mL的蒸馏水，2～12mL碱性溶液(例如乙二胺或三乙烯四胺)，然后加入2.5～10mg氧化石墨烯，超声分散均匀；

2)向锥形瓶中加入不大于1mmol十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，搅拌、超声至完全溶解。

3)向锥形瓶中加入0.25～0.75mmol铟盐，(可以选自氯化铟、硫酸铟、硝酸铟等)搅拌、超声至完全溶解。

4)将步骤3)得到的溶液转入聚四氟乙烯内衬中，再向反应釜中加入0.2～0.6g白磷，然后把聚四氟乙烯内衬密封到不锈钢模具中，在密闭条件下由室温开始加热并在120～180℃加热反应8～16h；

5)反应完成后，随炉冷却到室温，然后用快速定量滤纸过滤，即得粗产物；

6)依次分别用去离子水、苯和无水乙醇对粗产物进行洗涤；

7)将洗涤后的产物置入真空干燥箱中，于50～60℃下真空干燥4h～8h，得到复合材料。

下面结合实施例对本发明做详细描述。

实施例1

一种还原氧化石墨烯/磷化铟复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

1)向锥形瓶中加入体积24mL的蒸馏水，8mL乙二胺，然后加入5mg氧化石墨烯，超声分散均匀；

2)向锥形瓶中加入0.5mmol十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，搅拌、超声至完全溶解。

3)向锥形瓶中加入氯化铟0.5mmol，搅拌、超声至完全溶解。

4)将步骤3)得到的溶液转入聚四氟乙烯内衬中，再向反应釜中加入0.4g白磷，然后把聚四氟乙烯内衬密封到不锈钢模具中，在密闭条件下由室温开始加热并在180℃加热反应12h；

5)反应完成后，随炉冷却到室温，然后用快速定量滤纸过滤，即得粗产物；

6)依次分别用去离子水、苯和无水乙醇对粗产物进行洗涤；

7)将洗涤后的产物置入真空干燥箱中，于60℃下真空干燥4h，得到复合材料。

通过对材料进行锂电性能测试，发现在不同电流密度下，材料均表现出良好的循环性能。在电流密度为50mAh/g时，充放电100圈以后，充放电比容量仍能保持在800mAh/g。

实施例2

将实施例1中步骤2)的十六烷基三甲基溴化铵CTAB用量改为0mmol，其他条件不变，产物中发现石墨烯表面光滑，磷化铟与石墨烯复合较差。

实施例3

将实施例1中步骤2)的十六烷基三甲基溴化铵CTAB用量改为1mmol，其他条件不变，产物中明显发现磷化铟纳米颗粒出现团聚，并没有很好的分散在石墨烯表面。

实施例4

将实施例1中步骤3)的氯化铟的用量改为0.75mmol，其他条件不变，可以发现产物中石墨烯上的磷化铟颗粒所占比例较实施例1少，同时颗粒的粒径相较实施例1要大。

实施例5

将实施例1中步骤3)的氯化铟的用量改为0.25mmol，其他条件不变，产物中明显发现石墨表面上的磷化铟纳米颗粒的量较少。

实施例6

将实施例1中步骤4)中的反应时间改为16h，其他条件不变，复合材料仍能形成，但是从形貌上看，复合材料团聚现象比较严重。

本发明具有以下有益效果：

(1)磷化铟有效阻碍石墨烯的团聚，同时石墨烯为磷化铟提供锚定的三维空间，石墨烯优良的导电性加快了电子的迁移，为磷化铟充放电时体积膨胀与收缩预留了足够的空间，复合材料电学性能相对单一组分有了显著的提高。

(2)电化学性能较高，在锂离子电池负极材料领域具有很大的应用前景。

(3)本发明成本低，原料易得，制备工艺简单，重复性好，具有良好的应用前景。

以上对本发明的具体实施例进行了详细的说明描述，且对不同的实施例的产物现象进行了描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。