本發(fā)明屬于新能源相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種二維鉍烯的制備方法及鋰離子電池。

背景技術(shù)：

能源對(duì)于人類社會(huì)發(fā)展至關(guān)重要，但目前世界每年大部分的能源消耗是化石燃料，帶來(lái)的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染嚴(yán)重威脅我們的可持續(xù)發(fā)展。改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源，能有效緩解這些問(wèn)題。但是這些清潔能源本身固有的隨機(jī)性、間歇性等缺點(diǎn)，導(dǎo)致難以滿足便攜式電子設(shè)備使用要求，比如太陽(yáng)能只有在有光的情況下才能順利發(fā)電，但是在晚上或者光線不好情況下很難獲取能量，發(fā)展讓我們隨時(shí)隨地都能用上能源的儲(chǔ)能技術(shù)至關(guān)緊要。

現(xiàn)階段主流的儲(chǔ)能技術(shù)包括物理類儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能兩大類，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有效率高、投資少、使用安全、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，非常適合當(dāng)今能源的發(fā)展方向。鋰離子電池具有重量輕、容量大、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備在社會(huì)生活中的普及和大規(guī)模使用，大大促進(jìn)了鋰離子電池等電化學(xué)儲(chǔ)能的開發(fā)和使用。但是，鋰離子電池雖然能量密度很高，真正使用的負(fù)極材料石墨的理論體積容量只有837mah/cm³，這限制了更小體積的便攜式儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展。金屬鉍具有較高的理論容量3765mah/cm³，這幾乎是石墨(837mah/cm³)的4.5倍，是高體積比能量電極材料很好的選擇，另外金屬鉍綠色無(wú)污染，具有很好的應(yīng)用前景。然而，金屬鉍在新能源儲(chǔ)能方面的應(yīng)用甚少，電極材料只是摻雜有金屬鉍以改善電極。

金屬鉍的顏色是從銀白色到粉紅色，純鉍是柔軟的，不純時(shí)比較脆。鉍的化學(xué)性質(zhì)在室溫下較穩(wěn)定，鉍不與氧氣或者水反應(yīng)，在空氣中穩(wěn)定。中國(guó)的鉍資源居世界首位，中國(guó)已有鉍礦70多處，使得中國(guó)成為世界鉍的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)國(guó)家。鉍作為可安全使用的“綠色金屬”，目前除用于醫(yī)藥行業(yè)外，也廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、阻燃劑、顏料、化妝品等領(lǐng)域，有望取代有毒鉛、銻、鎘汞等元素。另外，鉍是逆磁性最強(qiáng)的金屬，在磁場(chǎng)作用下電阻率增大而熱導(dǎo)率降低，在熱電和超導(dǎo)方面也有很好的應(yīng)用前景。

目前，本領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)人員已經(jīng)利用不同的方法制備出不同形貌的低維納米鉍材料、鉍納米線、鉍納米管等等，但是鉍的二維超薄材料鉍烯還沒(méi)有相關(guān)制備技術(shù)，部分原因可能是鉍前驅(qū)體或者水熱合成條件很難控制。很多六方晶系材料是由二維材料堆疊構(gòu)成宏觀的晶體結(jié)構(gòu)，而二維材料平面內(nèi)化學(xué)鍵非常強(qiáng)，層間范德瓦爾相互作用則非常弱，這使得二維材料可以通過(guò)各種方法克服層間弱的相互作用力，從其相應(yīng)塊材料剝離得到二維納米片?，F(xiàn)階段高體積比容量、循環(huán)穩(wěn)定的合金作為負(fù)極的技術(shù)達(dá)到了瓶頸，液相剝離石墨烯、墨磷已有研究，磷烯盡管有較高的容量，但是磷烯在空氣中非常容易氧化，怕氧怕水。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種二維鉍烯的制備方法及鋰離子電池，將鉍粉加入剝離溶劑內(nèi)超聲振動(dòng)預(yù)定時(shí)間，以得到混合溶劑，離心去除所述混合溶劑中未剝離的鉍粉，以取得上清液，采用液相剝離的方法制備二維鉍烯，制備工藝簡(jiǎn)單，且制備的二維鉍烯具有較高的體積比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種二維鉍烯的制備方法，該制備方法包括以下步驟：

(1)將鉍粉加入剝離溶劑內(nèi)超聲振動(dòng)預(yù)定時(shí)間，在超聲振動(dòng)過(guò)程中，所述鉍粉在所述剝離溶劑的作用下部分被剝離成片狀，以此得到帶片狀鉍烯的混合溶劑；

(2)離心去除所述混合溶劑中未剝離的鉍粉，以取得上清液，所述上清液中保留有所述片狀鉍烯；

(3)將得到的所述上清液進(jìn)行離心真空干燥，以得到片狀的二維鉍烯。

進(jìn)一步地，所述剝離溶劑為酒精、異丙醇、n-甲基吡咯烷酮、水中的一種或者幾種的組合。

進(jìn)一步地，所述剝離溶劑為水和酒精按體積比1:1混合得到的溶劑。

進(jìn)一步地，所述預(yù)定時(shí)間為5～6(小時(shí))。

進(jìn)一步地，將所述上清液進(jìn)行離心真空干燥時(shí)的轉(zhuǎn)速大于離心去除所述混合溶劑中未剝離的鉍粉時(shí)的轉(zhuǎn)速。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種鋰離子電池，所述鋰離子電池包括電極，所述電極的組成成分包括如上所述的二維鉍烯。

進(jìn)一步地，所述二維鉍烯的厚度為3～5納米。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的二維鉍烯的制備方法及鋰離子電池主要具有以下有益效果：

1.將鉍粉加入剝離溶劑內(nèi)超聲振動(dòng)預(yù)定時(shí)間，以得到混合溶劑，離心去除所述混合溶劑中未剝離的鉍粉，以取得上清液，采用液相剝離的方法制備二維鉍烯，制備工藝簡(jiǎn)單，且制備的二維鉍烯具有較高的體積比容量和循環(huán)穩(wěn)定性；

2.將二維鉍烯用作電極材料的鋰離子電池在0.5c(1883ma/cm³，190ma/g)電流密度下進(jìn)行恒電流充放電，循環(huán)150次后仍保持初始容量的90％左右，具有較好的循環(huán)特性；

3.二維鉍烯的厚度為3納米～5納米，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，二維鉍烯在不同電流密度下的體積容量幾乎沒(méi)有明顯衰減，具有較好的倍率性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明較佳實(shí)施方式提供的二維鉍烯的制備方法的流程示意圖；

圖2是采用圖1中的二維鉍烯的制備方法制備的二維鉍烯的原子結(jié)構(gòu)模擬示意圖；

圖3是圖1中的二維鉍烯的制備方法涉及的前驅(qū)體鉍粉斷面掃描電子顯微鏡(sem)圖；

圖4是采用圖1中的二維鉍烯的制備方法制備的二維鉍烯透射電子顯微鏡(tem)圖片；

圖5是采用圖1中的二維鉍烯的制備方法制備的二維鉍烯原子力顯微鏡(afm)圖片；

圖6是采用圖1中的二維鉍烯的制備方法制備的鉍烯分散液膠體的丁達(dá)爾效應(yīng)光學(xué)照片；

圖7是采用圖1中的二維鉍烯的制備方法涉及的鉍的x射線衍射(xrd)示意圖；

圖8是鉍粉和采用圖1中的二維鉍烯的制備方法制備的鉍烯與前驅(qū)體鉍粉拉曼光譜圖；

圖9是采用圖1中的二維鉍烯的制備方法制備的鉍烯應(yīng)用在鋰離子電池中，第1、4、5次cv曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

請(qǐng)參閱圖1至圖4，本發(fā)明較佳實(shí)施方式提供的二維鉍烯的制備方法，所述制備方法為液相剝離制備方法，具有高質(zhì)量、高產(chǎn)和超薄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制備的二維鉍烯的厚度在3納米～5納米，尺寸為500nm左右。

所述的二維鉍烯的制備方法主要包括以下步驟：

步驟一，將鉍粉加入剝離溶劑內(nèi)超聲振動(dòng)預(yù)定時(shí)間，以得到混合溶劑，其中，所述剝離溶劑用于將所述鉍粉進(jìn)行剝離，以得到片狀的鉍烯。具體地，所述剝離溶劑為酒精、異丙醇、n-甲基吡咯烷酮、水中的一種或者幾種的組合；所述預(yù)定時(shí)間為5～6小時(shí)；所述混合溶劑帶有片狀鉍烯。

本實(shí)施方式中，所述剝離溶劑為水和酒精按體積比1:1混合組成的混合溶劑；可以理解，在其他實(shí)施方式中，所述剝離溶劑可以為其他溶劑，如異丙醇、n-甲基吡咯烷酮。

步驟二，離心去除所述混合溶劑中未被剝離的鉍粉，以取得上清液。本實(shí)施方式中，采用低速離心去除所述混合溶劑中未剝離的鉍粉，以取得上清液，所述上清液中保留有所述片狀鉍烯，高速將得到的所述上清液進(jìn)行離心干燥，以得到二維鉍烯，真空干燥時(shí)的轉(zhuǎn)速大于離心去除所述混合溶劑中未剝離鉍粉時(shí)的轉(zhuǎn)速。

請(qǐng)參閱圖5至圖9，圖步驟三，將得到的所述上清液進(jìn)行離心真空干燥，以得到二維鉍烯。具體地，所述二維鉍烯的厚度為3納米～5納米，尺寸為500納米左右。其中，圖8中的實(shí)線表示商用鉍粉的光強(qiáng)隨波長(zhǎng)偏移量的變化曲線；虛線表示本發(fā)明提供的二維鉍烯的制備方法制備的二維鉍烯的光強(qiáng)隨波長(zhǎng)偏移量的變化曲線。

本發(fā)明提供的二維鉍烯的制備方法制備的二維鉍烯具有高質(zhì)量及超薄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且具有很高的體積比容量和良好的循環(huán)性能，且穩(wěn)定，環(huán)保無(wú)污染。

所述二維鉍烯可以用于制備電極。具體地，將所述二維鉍烯、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑按照一定比例調(diào)制成均勻漿料后就涂覆到銅箔上，并進(jìn)行真空干燥以得到電極片；之后，采用手套箱將所述電極片進(jìn)行封裝，以得到鋰離子電池。

如表1所示，采用相同質(zhì)量的鉍粉、不同剝離溶劑制備二維鉍烯，所述鉍粉的質(zhì)量為8克，所述剝離溶劑的體積為800毫升。自表1可以看出，在表1中的幾種剝離溶劑中，當(dāng)采用的剝離溶劑為酒精和水的混合劑時(shí)，制得的二維鉍粉的質(zhì)量最大。

表1

表2顯示了不同的電流密度下的二維鉍烯的體積容量，不同的電流密度下，鉍烯體積容量普遍大于塊體鉍烯體積容量，其中二維鉍烯體積容量在電流密度0.1c時(shí)最大。

表2

表3顯示出了電流密度為0.5c(1883ma/cm³)、不同循環(huán)次數(shù)時(shí)的循環(huán)容量，可見，不同的循環(huán)次數(shù)時(shí)，二維鉍烯的體積容量普遍大于塊體鉍粉的體積容量。

表3

表4分別給出了二維鉍烯和商用石墨在不同循環(huán)次數(shù)時(shí)的體積容量，可見，在不同的循環(huán)次數(shù)下，二位鉍烯的體積容量普遍大于商用石墨的體積容量，其隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸以較小的幅度減小。

表4

本發(fā)明提供的二位鉍烯的制備方法及鋰離子電池，所述制備方法工藝簡(jiǎn)單，制備得到的二維鉍烯具有較高的體積比容量、循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能，其作為電極材料的鋰離子電池具有較好的循環(huán)特性。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。