[發明專利]一種磷化鈷生物質碳復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201811362168.1
• 申請日: 2018-11-15
• 公開（公告）號: CN109599542A
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 李雪瑩;吳輝;陳立莊;郭旻欽;郭錢
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M10/054
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 王艷

本發明公開了一種磷化鈷生物質碳復合材料的制備方法。本發明還公開了該磷化鈷生物質碳復合材料及其應用，本發明通過采用電化學沉積將磷化鈷與生物質碳膜復合，得到無需粘結劑的磷化鈷/生物質碳集成電極，方法簡單，操作方便，材料制備成本低廉；本發明首次將磷化鈷與生物質碳材料復合得并應用于鈉離子電池負極材料，復合材料電極的儲鈉性能優異，結構穩定。本發明制備的磷化鈷/生物質碳復合材料可直接作為鈉離子電池的負極材料無需另外添加粘結劑和活性碳，并能夠顯著提高鈉離子電池的循環壽命。

技術領域

本發明涉及一種磷化鈷生物質碳復合材料及其制備方法和應用，本發明同時還涉及該復合材料作為鈉離子電池電極材料的應用，屬于復合材料及電極材料領域。

背景技術

隨著鋰離子電池的開發和利用，鋰元素在地殼中的儲備量逐年降低。有資料顯示，在地殼中鋰資源只有0.002％，屬于自然界中的一種稀有金屬，且分布范圍不均勻。這極大的限制了要求安全系數較高并且價格低的電力設備和長循環壽命的電池以及可再生能源的發展，所以，研發下一代價格合理、安全系數高、綜合性能高的儲能材料顯得尤其重要，和鋰資源對比，鈉在全球的儲量更為豐富，約占2.64％，在地殼中分布也更加廣泛，更為重要的是，鈉元素和鋰元素同處于一個主族，物理和化學性質較為相似。因此，開發一種能代替鋰離子電池的新型鈉離子電池成為一種必然趨勢。鈉元素在地殼中的含量較高，價格低廉，鈉離子電池的儲能機理與鋰離子電池類似，適合國家智能電網這樣大規模儲能技術的應用。而電極材料是鈉離子電池技術發展的核心，其中生物質碳材料具有廉價易得，來源豐富，導電性高，在經過一定處理后可直接作為自支撐電極材料。

生物質碳材料為硬碳材料能夠繼承生物質前驅體的天然形貌形成多孔材料。目前，多孔材料作為電池的負極材料備受關注，其中隨機堆疊的石墨烯層以及納米孔能夠實現鈉離子的存儲。生物質碳材料所具備的良好的循環性能以及導電性能，引起了研究者們的廣泛關注。但生物質碳材料偏低的比容量(小于300mAh/g)影響了生物質碳材料作為電極材料的應用。磷化鈷電極材料的理論比容量較高(大于500mAh/g)是較理想的鈉離子電池的負極材料，但是在充放電的過程中其嚴重的體積變化會導致比容量的迅速衰減。因此，采用磷化鈷與碳材料復合，發揮兩種材料的優勢既提高電極材料的比容量又實現材料的穩定性。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題在于提供一種簡單易操作的電沉積法制備磷化鈷生物質碳復合材料的方法。

本發明還要解決的技術問題是提供了該磷化鈷生物質碳復合材料。

本發明最后要解決的技術問題是提供了該磷化鈷生物質碳復合材料的應用。

技術方案：針對上述要解決的技術問題，本發明的技術方案如下：本發明提供了一種磷化鈷生物質碳復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)生物質碳膜的制備：將廣玉蘭樹葉置于800℃～1000℃環境溫度下進行2～4小時退火處理，置于堿溶液中處理2～4小時，再置于酸溶液中處理6～10小時即得生物質碳膜；

(2)電解液的制備：將次磷酸鈉與硫酸鈉混合并溶于含有0.1～0.4M硫酸鈷溶液中，用硫酸調節溶液的pH值，并保證pH值范圍為2～3得到電解液；

(3)復合材料的制備：將步驟(1)得到的生物質碳膜作為工作電極，鉑片作為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，以步驟(2)得到的電解液作為電沉積電解液得到復合材料，所得到的復合材料用去離子水沖洗4～5遍；

(4)復合材料晶體結構的強化：將步驟(3)得到的復合材料置于氮氣氣氛下的管式爐內進行升溫煅燒，煅燒后自然冷卻至室溫。

其中，所述堿溶液為2～3mol/L KOH水溶液。

其中，步驟(1)中，所述的酸溶液為1～2mol/L HCl水溶液。