[发明专利]超声辅助法制备氮、硫共掺杂的鱿鱼墨衍生碳/石墨烯复合材料及其在储钾领域的应用

说明书

本发明提供了一种以海洋生物废弃物鱿鱼墨为原料，使用细胞粉碎机，通过超声波将鱿鱼墨，硫粉和氧化石墨烯复合在一起制备氮、硫共掺杂碳材料的方法，并将其应用于钾离子电池。该方法是将酸洗后的鱿鱼墨和硫粉加入到去离子水中，利用细胞粉碎机将其在水中均匀分散，然后将此混合液加入到已被超声波均匀分散的氧化石墨烯悬浊液中，将混合液继续进行细胞粉碎。由于超声波强烈的机械作用，氧化石墨烯被超声波打散并且包覆在鱿鱼墨的表面，进一步通过冷冻干燥处理，对冻干样品进行高温碳化，制得氮、硫共掺杂生物质衍生碳纳米材料，并表现出优良的钾离子存储性能。

技术领域

本发明属于电化学储能器件领域，提供了一种以生物废弃物鱿鱼墨，升华硫以及氧化石墨烯为原料，使用超声波辅助法制备氮、硫共掺杂生物质衍生碳/石墨烯复合材料，以及在钾离子电池中的应用。

背景技术

随着社会的发展，化石能源被人们过度使用正面临衰竭，能源危机逐步加深，环保也日渐成为世界各地人们越来越重视的问题。在这种社会趋势下，新型储能材料的发展越来越受到人们的关注。其中，锂离子电池的研究最为广泛。随着锂离子电池的大规模应用，锂资源匮乏导致锂离子电池未来市场不明朗。为了解决这个问题，寻找锂离子电池的替代品成为必然。相比之下，地壳中钠元素（23000 ppm）和钾元素（17000 ppm）是十分充沛的，并拥有与锂离子相近的电化学存储机制，从而使钾离子电池和钠离子电池成为未来新型储能器件。

与锂离子电池和钠离子电池相比，钾离子电池具有较低的成本、丰富的资源；具有较低的还原电位（≈2.936V）；能量密度很高；K⁺的路易斯酸度以及溶剂化离子更小，溶剂化和迁移的钾离子的电导率和数量大于锂离子的电导率和数量；K⁺低的去溶剂化能力可以促进电解质/电极界面的更快扩散等，使其在大规模储能领域更具优势。对于钾离子电池负极材料而言，由于钾离子的尺寸较大，所以需要其具有大空间以容纳K⁺；同时还需要稳定的结构来承受可逆的K⁺嵌入/脱嵌过程中的体积变化。碳材料由于其低成本，优秀的循环稳定性，成为钾离子电池适合的电极材料。其中，生物质碳具有成本低廉，来源广泛，环境友好，表面丰富的含氧官能团及较高的活性，是一种有潜力的钾离子电池负极材料。鱿鱼墨自身所富含的有机物及其独特的纳米结构，使其成为较为理想的电极材料。利用鱿鱼墨这类生物质，通过一系列手段，制备生物碳材料以及碳基复合材料作为电极材料，同时利用多种元素掺杂，促进钾离子的吸附和存储，缓解体积膨胀等问题，以提升相应储能器件的性能。

本专利基于海洋生物质鱿鱼墨为原料，利用超声波的机械混合作用，将氧化石墨烯均匀的包覆在鱿鱼墨表面，同时实现硫掺杂和自身的氮掺杂，利用冷冻干燥，高温碳化技术来对生物质衍生碳材料实现电导率和表面官能团和缺陷调控。获得了氮、硫共掺杂的鱿鱼墨/石墨烯复合碳材料，同时具有石墨碳和无定形碳耦合的结构，可以有效提升材料的储钾性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以鱿鱼墨作为原材料制备的氮、硫共掺杂的鱿鱼墨/石墨烯复合碳材料，并应用于钾离子电池，将其作为活性材料组装了钾离子电池储能器件。为了解决解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

首先将酸洗后的鱿鱼墨和升华硫分散于去离子水溶液中，细胞粉碎机超声20min，加入到分散有氧化石墨烯的去离子水溶液中，继续进行细胞粉碎超声30min。冷冻干燥后通过高温碳化-酸洗等合成步骤得到最终的碳材料。将得到的碳负极材料和导电乙炔黑、粘结剂按照7:2:1的比例混合涂覆在Al片上，制成电池负极电极片。在充满氩气的手套箱中把正极壳、碳片、隔膜、钾块、负极壳组装成钾离子电池，在蓝电系统中进行钾离子电池循环性能和倍率性能的测试。