[發(fā)明專利]用作鋰/鈉離子電池負(fù)極材料的超薄硫化銻納米片的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910676903.4
• 申請日: 2019-07-25
• 公開（公告）號: CN110776006B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 金章教;姚姍姍;崔江
• 申請（專利權(quán)）人: 香港科技大學(xué)
• 主分類號: C01G30/00
• 分類號: C01G30/00;H01M4/58;H01M10/0525;H01M10/054;B82Y30/00
• 代理公司: 北京天昊聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11112
• 代理人: 孫微;金小芳

本發(fā)明提供了使用可量產(chǎn)的化學(xué)剝離法制備多層二維硫化銻納米片的方法。該二維硫化銻納米片可被開發(fā)為鋰離子電池和鈉離子電池兩者中的雙功能負(fù)極材料。由二維硫化銻納米片帶來的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和功能特征可以提供短的電子/離子擴(kuò)散路徑、豐富的表面氧化還原反應(yīng)活性位點(diǎn)和大的縱橫比，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通過可量產(chǎn)的化學(xué)剝離法來制備多層二維硫化銻納米片。除此之外，本發(fā)明也涉及將所制備的二維硫化銻納米片用作可充電鋰/鈉離子電池的負(fù)極材料。

背景技術(shù)

近年來，人類社會對電動汽車、便攜式電子設(shè)備和無人駕駛飛行器日益增長的需求推動了其對具有長循環(huán)穩(wěn)定性、高能量/功率密度、低成本效益和可持續(xù)特性的能量存儲系統(tǒng)的深入研究。其中，鋰離子電池已經(jīng)在電池市場中占據(jù)了重要的位置。在過去幾十年中，由于鋰離子電池較高的能量密度、優(yōu)異的循環(huán)壽命和相對低的自放電率使其在多種能量存儲裝置中受到了廣泛研究。然而，由于地殼中有限的鋰資源和近年來鋰鹽原材料價格的急劇上漲，鋰離子電池的進(jìn)一步應(yīng)用受到了嚴(yán)重阻礙。鈉與鋰具有類似的電化學(xué)特性，同時也是地殼中第六豐富的化學(xué)元素且均勻分布在世界各地，這使得低成本的鈉離子電池成為極具吸引力的替代品，其可應(yīng)用于包括可再生能源集成和電網(wǎng)在內(nèi)的大規(guī)模能量存儲系統(tǒng)中。為了加速鋰離子和鈉離子電池的應(yīng)用，開發(fā)具有精細(xì)結(jié)構(gòu)和良好電化學(xué)性質(zhì)的雙功能電極材料是至關(guān)重要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及通過可量產(chǎn)的化學(xué)剝離法來制備多層二維硫化銻納米片。除此之外，本發(fā)明也涉及將所制備的二維硫化銻納米片用作可充電鋰/鈉離子電池的負(fù)極材料。本發(fā)明公開了一種制備超薄硫化銻納米片的方法且合成的二維硫化銻納米片可用作于鋰/鈉離子電池的雙功能負(fù)極材料。該方法制備的二維硫化銻納米片具有獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)和功能特征，其可提供更短的電子/離子擴(kuò)散路徑和豐富的表面氧化還原反應(yīng)活性位點(diǎn)。

本發(fā)明中制備的二維硫化銻納米片具有很好的層狀結(jié)構(gòu)、良好的結(jié)晶度、超薄的厚度和較大的橫向尺寸。二維硫化銻納米片的厚度可以是，例如3.8納米(nm)，這有利于電極材料中快速的離子/電子擴(kuò)散，并且可進(jìn)一步提高電池測試中的倍率性能。此外，獨(dú)特的二維硫化銻納米片還具有較大的比表面積和孔體積。較大的比表面積可為電極材料和電解液之間提供豐富的活性位點(diǎn)，從而提高離子電導(dǎo)率并增強(qiáng)表面的氧化還原反應(yīng)。

在本發(fā)明中，通過簡單易行且可量產(chǎn)的化學(xué)鋰離子嵌入輔助剝離的方法來制備形貌良好的二維硫化銻納米片，該方法主要包括溶劑熱處理、超聲處理和離心處理。在本發(fā)明中，硫化銻粉末(例如，商業(yè)硫化銻粉末)可以作為用于剝離的前驅(qū)體，并且碳酸鋰鹽可以用作嵌入劑。可在苯甲醇溶劑中加熱(例如220℃熱反應(yīng)48小時)進(jìn)行溶劑熱處理。可進(jìn)一步(例如，使用諸如1重量％的稀鹽酸之類的酸)除去過量的碳酸鋰鹽。最終，可在冷凍干燥方法之后獲得超薄二維硫化銻納米片粉末。

在一個實(shí)施方案中，用于制備二維納米片的方法包括：提供塊狀前驅(qū)體；在存在溶劑的情況下，進(jìn)行使鋰原子嵌入塊狀前驅(qū)體的顆粒的范德華力鍵合的夾層中的溶劑熱嵌入反應(yīng)，從而形成鋰嵌入后的塊狀化合物；對鋰嵌入后的塊狀化合物進(jìn)行超聲處理，從而將該鋰嵌入后的塊狀化合物剝離成二維納米片；進(jìn)行離心處理以分離出經(jīng)剝離的二維納米片，然后洗滌經(jīng)剝離的二維納米片；對經(jīng)過分離和洗滌的二維納米片進(jìn)行冷凍干燥；在冷凍干燥后收集二維納米片。塊狀前驅(qū)體可以是硫化銻塊狀前驅(qū)體、硒化銻塊狀前驅(qū)體、硫化鉍塊狀前驅(qū)體或碲化銻塊狀前驅(qū)體，可分別得到二維硫化銻納米片、二維硒化銻納米片、二維硫化鉍納米片或二維碲化銻納米片。