[發(fā)明專利]一種納米級(jí)立方體錫酸鈷和石墨烯復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710989580.5
• 申請(qǐng)日: 2017-10-23
• 公開（公告）號(hào): CN107799748A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李喜飛;竇樹明;李德軍;孫學(xué)良;范林林;顏波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/52;H01M4/583;H01M10/054;B82Y30/00
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司12207
• 代理人: 朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鈉離子電池材料領(lǐng)域，具體涉及一種納米級(jí)立方體錫酸鈷CoSnO₃和石墨烯復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

近幾十年來，由于化石燃料在全球范圍內(nèi)的大量消耗，化石燃料資源枯竭和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的問題已經(jīng)對(duì)人類生存和發(fā)展造成了重大影響。為了減少對(duì)化石燃料的依賴并緩解環(huán)境惡化的問題，風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、潮汐能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉春颓鍧嵞茉吹玫搅舜罅Πl(fā)展。由于大規(guī)模儲(chǔ)能電網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)⑦@些間歇性的可再生能源集成到電網(wǎng)中，所以儲(chǔ)能電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)是不可或缺的。在不同的儲(chǔ)能技術(shù)中，可充電二次電池技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的最具潛力的技術(shù)手段，因?yàn)樗哂懈吣芰哭D(zhuǎn)換效率、環(huán)境友好性和可持續(xù)性利用等優(yōu)點(diǎn)。

過去的二十年，人們見證了鋰離子電池的成功商業(yè)化及其在便攜式電子設(shè)備市場(chǎng)的推廣應(yīng)用。然而，有限的鋰資源和高昂的成本限制了鋰離子電池大規(guī)模應(yīng)用和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)。欲解決上述問題，人類需要探尋和開發(fā)可替代鋰離子電池的材料。由于鈉元素與鋰元素位于同一主族，物化性質(zhì)近似，而且鈉資源儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，成本較低，因此，鈉離子電池的研究與應(yīng)用備受矚目，更重要的是鈉離子電池被認(rèn)為是在未來發(fā)展中最有可能取代鋰離子電池的且最具有發(fā)展前景的可充電二次電池。

電極材料是鈉離子電池的重要組成部分，特別是負(fù)極材料是鈉離子電池技術(shù)的關(guān)鍵。目前，鋰離子電池負(fù)極材料的發(fā)展要比鈉離子電池負(fù)極材料的發(fā)展成熟得多，然而，由于鈉離子電池的充放電機(jī)理與鋰離子電池的充放電機(jī)理基本一致，這使得近年來鈉離子電池負(fù)極材料的研究得到了迅猛發(fā)展。石墨是應(yīng)用于鋰離子電池最廣泛的負(fù)極材料，其具有一個(gè)長(zhǎng)程范圍有序的分層結(jié)構(gòu)，鋰離子可以在石墨層之間較容易地嵌插與脫出。在鋰離子電池系統(tǒng)中，石墨具有較高的理論可逆容量（372mAh/g）和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。然而，將石墨應(yīng)用于鈉離子電池系統(tǒng)中，其容量?jī)H為35mAh/g。為此，探尋高容量和優(yōu)異循環(huán)性能的鈉離子電池負(fù)極材料對(duì)于鈉離子電池的大規(guī)模應(yīng)用具有非凡的戰(zhàn)略意義。在眾多的鈉電負(fù)極材料中，三元過渡金屬氧化物因具有高理論比容量而受到了研究者的極大關(guān)注。然而，三元過渡金屬氧化物在充放電循環(huán)過程中，伴隨著較大的體積膨脹，易導(dǎo)致電極粉化和脫落，從而造成電池容量迅速下降；同時(shí)，三元過渡金屬氧化物具有導(dǎo)電性差的特點(diǎn)，這進(jìn)一步限制了其在鈉離子電池電極材料中的發(fā)展。為了提高材料的導(dǎo)電性，抑制材料的粉化和脫落，提高材料的電化學(xué)性能，將三元過渡金屬氧化物與高導(dǎo)電性的碳材料進(jìn)行復(fù)合是一種有效的設(shè)計(jì)策略。

中國(guó)專利CN201510860848.6，公開了名稱為：一種用于鈉離子電池的多孔立方ZnSnO₃@石墨烯負(fù)極材料及其制備方法的專利文件，它將含有鋅鹽、錫鹽的溶液混合攪拌一段時(shí)間后，過濾、干燥、煅燒得到多孔立體狀ZnSnO₃；將ZnSnO₃超聲分散在溶液中并加入表面處理劑進(jìn)行攪拌，再與氧化石墨烯水溶液混合攪拌，過濾、干燥、熱處理得到石墨烯包覆的多孔立方體狀ZnSnO₃。該制備方法中用到了表面活性劑，表面活性劑是一種能使表面張力降低的有機(jī)化合物，具有分散、潤(rùn)濕和滲透等性能。在使用過程中，含有表面活性劑的廢液不可避免地排入了水體、土壤等環(huán)境，表面活性劑的存在會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，甚至?xí)＜罢麄€(gè)生態(tài)。同時(shí)，它存在的不足之處還在于制備方法中使用了機(jī)械攪拌的方法來混合，該機(jī)械攪拌的方法不可避免地會(huì)使石墨烯包覆ZnSnO₃出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。而本發(fā)明中，制備納米級(jí)立方體CoSnO₃和石墨烯復(fù)合材料的方法沒有使用表面活性劑，有效地避免了環(huán)境污染的問題。同時(shí)，該制備方法使用溶劑熱法，該方法使得制備的納米級(jí)立方體CoSnO₃和石墨烯復(fù)合材料的形貌更加均勻。

發(fā)明內(nèi)容