磷烯-石墨烯混合材料的电化学性能研究

胡明华，敖克后，潘 淇

(遵义师范学院 黔北特色资源应用研究实验室，贵州 遵义 563002)



磷烯-石墨烯混合材料的电化学性能研究

胡明华，敖克后，潘 淇

(遵义师范学院 黔北特色资源应用研究实验室，贵州 遵义 563002)

随着钠离子电池的兴起，对其电极材料的研究也越来越引起学者们的关注。本文从实验出发，首先进行了磷烯-石墨烯混合材料的制备，然后进行电化学性能测试，其测试结果表明该混合材料有较好的电化学性能，对后续钠离子电池电极材料的研究具有一定的参考作用。

钠离子电池；电化学性能；磷稀；石墨烯

1 引言

锂离子电池一般以石墨类碳材料作为电极[1]，但对于钠离子电池而言，由于钠离子的半径比较大，不能可逆地在石墨碳层间脱碳，所以具有很好嵌锂能力的石墨不能作为钠离子电池的电极材料[2]。本文在已有的研究基础上，选取一种混合材料作为钠离子电池的电极，其结构是由磷烯[3]嵌入石墨烯[4-5]所组成，在电流密度为50mA/g时，该混合材料表现出一个特定的容量值2440mAh/g和适当的较低的氧化还原电势，且磷和钠发生电化学反应生成Na3P，作为一种电极材料，它不仅有很高的势能，单位质量下还拥有较高的容量值2596mAh，大大超过其他钠离子电池电极的可用性。磷烯-石墨烯混合材料的优势有[6]：①超薄的磷烯最小化在钠离子和电子之间的扩散，导致速度性能增加；②在磷烯氧化还原反应电流收集器中，生成的石墨烯层可以促进电子的运输；③在磷烯纳米片的空间提供了弹性缓冲区空间去适应各向异性的扩张。

2 磷烯-石墨稀混合机制

在磷烯-石墨烯混合材料制备过程中，将等体积的磷烯(17ug/mL)和石墨烯(3ug/mL)分别加入到浓度为0.1mg/mL，体积为20mL的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，并将含有磷烯的NMP溶液在超声波环境下进行声处理10小时，将含有石墨烯的NMP溶液在超声波环境下进行声处理30分钟。然后将含有磷烯和石墨稀的NMP溶液在不同体积比下，通过搅拌、均匀的混合去完成不同的碳磷(C/P)摩尔比率，如表1所示。然后将混合溶液放入20℃的氩气套箱内，进行蒸发扩散，使得磷烯-石墨烯夹层形成自组装通道。蒸发扩散完成后，用无水乙醇对样品进行冲洗以去除NMP，然后经过加热快速蒸发乙醇去获得粉末状混合物。

表1 磷烯-石墨烯混合

3 磷烯-石墨稀电化学性能测试

在混合结构中的碳磷(C/P)摩尔比是一个重要的参数，C/P比是基于单层石墨烯和磷烯的面积比计算得到的[7]。但在实际应用中，考虑到真正纳米片是由不止一个单层组成，在电流倍率为0.02C(50mA/g)下分析了不同C/P比值下的磷烯-石墨烯混合物的循环性能，如图1所示。其中纵坐标表示比容量(mAh/g)，横坐标表示循环次数，其结果表明：随着循环次数增加，4种比例的磷烯-石墨烯混合材料的比容量均呈现下降趋势，但C/P比越大，下降趋势越不明显，表明在相同循环次数下，C/P比大的混合材料单位质量能够放出更多的电量，选用C/P=3.46的混合材料作为下文中电化学分析的实验材料。

图1 比容量随循环次数的变化Fig.1 Specific capacity varies with the number of cycles

对磷烯-石墨烯夹层结构材料进行电化学性能测试，其结果如图2所示，其中纵坐标表示比容量(mAh/g)，横坐标表示循环次数。当电流倍率为0.02C时，可获得一个2440mAh/g的可逆电容值；当电流倍率为3C时，可逆电容值为1450mAh/g；当电流倍率为10C，可逆电容值为645mAh/g。此外，磷烯-石墨烯夹层结构在循环上表现出非常好的容量保留。100次循环后，倍率在0.02C时，电容值为2080mAh/g，且在相对较高的倍率3C和10C下，容量保留值分别是84%和77%。库仑效率的大小是电极反应可逆性的一个重要指标，100次的循环后，即便是在相对较高倍率3C和10C下，平均库仑效率分别是97.6%和99.3%。

图2 不同电流倍率下比容量随循环次数的变化Fig.2 Specific capacity varies with the number of cycles with the different current ratio

4 结论

本文通过实验论证了磷烯-石墨烯混合材料的高容量值和较高的平均库仑效率。磷烯-石墨烯混合材料优越的电化学性能可以为钠离子电池电极材料的研究起到一定的借鉴和参考作用。

[1]杨勇, 龚正良, 吴晓彪，等. 锂离子电池若干正极材料体系的研究进展[J]. 科学通报, 2012(27):2570-2586.

[2]Slater M D, Kim D, Lee E, et al. Sodium-Ion Batteries[J]. Advanced Functional Materials, 2013, 23(23):947-958.

[3]覃信茂,窦忠宇,陈少波，等. 磷烯制备及应用的研究进展[J]. 电子元件与材料,2016(05):7-10.

[4]匡达,胡文彬.石墨烯复合材料的研究进展[J]. 无机材料学报,2013(03):235-246.

[5]胡耀娟,金娟,张卉，等. 石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J]. 物理化学学报,2010(08):2073-2086.

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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

胡明华(1967-)，男，贵州遵义人，遵义师范学院高级实验师。主要研究方向：天然产物提取。

TM912

A

1673-6125(2016)03-0031-02