本發明屬于新能源相關技術領域，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：

能源對于人類社會發展至關重要，但目前世界每年大部分的能源消耗是化石燃料，帶來的溫室效應和環境污染嚴重威脅我們的可持續發展。改變現有能源結構，大力發展風能、太陽能等清潔能源，能有效緩解這些問題。但是這些清潔能源本身固有的隨機性、間歇性等缺點，導致難以滿足便攜式電子設備使用要求，比如太陽能只有在有光的情況下才能順利發電，但是在晚上或者光線不好情況下很難獲取能量，發展讓我們隨時隨地都能用上能源的儲能技術至關緊要。

現階段主流的儲能技術包括物理類儲能和電化學儲能兩大類，電化學儲能技術具有效率高、投資少、使用安全、應用靈活等優點，非常適合當今能源的發展方向。鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點，尤其手機、筆記本電腦等便攜式電子設備在社會生活中的普及和大規模使用，大大促進了鋰離子電池等電化學儲能的開發和使用。但是，鋰離子電池雖然能量密度很高，真正使用的負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能設備的發展。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，另外金屬鉍綠色無污染，具有很好的應用前景。然而，金屬鉍在新能源儲能方面的應用甚少，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，不純時比較脆。鉍的化學性質在室溫下較穩定，鉍不與氧氣或者水反應，在空氣中穩定。中國的鉍資源居世界首位，中國已有鉍礦70多處，使得中國成為世界鉍的絕對優勢國家。鉍作為可安全使用的“綠色金屬”，目前除用于醫藥行業外，也廣泛應用于半導體、超導體、阻燃劑、顏料、化妝品等領域，有望取代有毒鉛、銻、鎘汞等元素。另外，鉍是逆磁性最強的金屬，在磁場作用下電阻率增大而熱導率降低，在熱電和超導方面也有很好的應用前景。

目前，本領域的相關技術人員已經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有相關制備技術，部分原因可能是鉍前驅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成宏觀的晶體結構，而二維材料平面內化學鍵非常強，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各種方法克服層間弱的相互作用力，從其相應塊材料剝離得到二維納米片。現階段高體積比容量、循環穩定的合金作為負極的技術達到了瓶頸，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。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發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超聲振動預定時間，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，制備工藝簡單，且制備的二維鉍烯具有較高的體積比容量和循環穩定性。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，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超聲振動預定時間，在超聲振動過程中，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行離心真空干燥，以得到片狀的二維鉍烯。

進一步地，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。

進一步地，所述預定時間為5～6(小時)。

進一步地，將所述上清液進行離心真空干燥時的轉速大于離心去除所述混合溶劑中未剝離的鉍粉時的轉速。

按照本發明的另一方面，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。

進一步地，所述二維鉍烯的厚度為3～5納米。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，本發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超聲振動預定時間，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，制備工藝簡單，且制備的二維鉍烯具有較高的體積比容量和循環穩定性；

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)電流密度下進行恒電流充放電，循環150次后仍保持初始容量的90％左右，具有較好的循環特性；

3.二維鉍烯的厚度為3納米～5納米，經過實驗證明，二維鉍烯在不同電流密度下的體積容量幾乎沒有明顯衰減，具有較好的倍率性能。

附圖說明

圖1是本發明較佳實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構模擬示意圖；

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爾效應光學照片；

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用在鋰離子電池中，第1、4、5次cv曲線。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

請參閱圖1至圖4，本發明較佳實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，具有高質量、高產和超薄的結構特點，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超聲振動預定時間，以得到混合溶劑，其中，所述剝離溶劑用于將所述鉍粉進行剝離，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；所述預定時間為5～6小時；所述混合溶劑帶有片狀鉍烯。

本實施方式中，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行離心干燥，以得到二維鉍烯，真空干燥時的轉速大于離心去除所述混合溶劑中未剝離鉍粉時的轉速。

請參閱圖5至圖9，圖步驟三，將得到的所述上清液進行離心真空干燥，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中的實線表示商用鉍粉的光強隨波長偏移量的變化曲線；虛線表示本發明提供的二維鉍烯的制備方法制備的二維鉍烯的光強隨波長偏移量的變化曲線。

本發明提供的二維鉍烯的制備方法制備的二維鉍烯具有高質量及超薄的結構特點，且具有很高的體積比容量和良好的循環性能，且穩定，環保無污染。

所述二維鉍烯可以用于制備電極。具體地，將所述二維鉍烯、導電劑、粘結劑按照一定比例調制成均勻漿料后就涂覆到銅箔上，并進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行封裝，以得到鋰離子電池。

如表1所示，采用相同質量的鉍粉、不同剝離溶劑制備二維鉍烯，所述鉍粉的質量為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，當采用的剝離溶劑為酒精和水的混合劑時，制得的二維鉍粉的質量最大。

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時最大。

表2

表3顯示出了電流密度為0.5c(1883ma/cm³)、不同循環次數時的循環容量，可見，不同的循環次數時，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次數時的體積容量，可見，在不同的循環次數下，二位鉍烯的體積容量普遍大于商用石墨的體積容量，其隨著循環次數的增加逐漸以較小的幅度減小。

表4

本發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單，制備得到的二維鉍烯具有較高的體積比容量、循環穩定性及倍率性能，其作為電極材料的鋰離子電池具有較好的循環特性。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。