[發(fā)明專利]一種二元過渡金屬氧化物與氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和鈉離子電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910803125.0
• 申請日: 2019-08-28
• 公開（公告）號: CN110504429A
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐玉蝶;張海燕;程奧;陳建飛
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/52;H01M4/62;H01M10/054;B82Y30/00
• 代理公司: 11227 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 許慶勝<國際申請>=<國際公布>=<進(jìn)入

本發(fā)明涉及電池材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種二元過渡金屬氧化物與氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和鈉離子電池。本發(fā)明提供了一種二元過渡金屬氧化物與氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法，該制備方法中，經(jīng)水熱反應(yīng)之后，氧化石墨烯的表面原位生長出普魯士藍(lán)類似物，使得普魯士藍(lán)類似物與氧化石墨烯結(jié)合的更加緊密，進(jìn)而電池在充放電過程中更加穩(wěn)定，從而提高了氧化石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)性能。氧化石墨烯經(jīng)水熱反應(yīng)之后，得到三維氧化石墨烯，使得復(fù)合材料的比表面積增大，從而有效的緩解了二元過渡金屬氧化物的體積膨脹，同時有效防止了二元過渡金屬氧化物的團聚，提高了復(fù)合材料的電導(dǎo)率和循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種二元過渡金屬氧化物與氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和鈉離子電池。

背景技術(shù)

環(huán)境問題是當(dāng)今社會最為關(guān)注的焦點問題之一，其中能源領(lǐng)域的發(fā)展對環(huán)境的影響是巨大的，化石等礦物能源日益枯竭的問題是不可忽視的，盡快的找到可替代的環(huán)保可持續(xù)的能源是我們刻不容緩的研究任務(wù)，目前最為高效的是鋰離子電池，但是鋰的儲量和成本使得鋰電的發(fā)展在未來一定會受到限制，鈉是自然界儲備豐富的資源之一，有著與鋰相似的化學(xué)性質(zhì)，因此有著與鋰離子電池相同的工作原理，通過鈉離子在正負(fù)極材料中的脫嵌實現(xiàn)充放電的過程。相比于金屬鋰、鈉的成本也低了很多，在未來的能源領(lǐng)域有著很大的發(fā)展前景。

由于鈉離子的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋰離子的半徑，因此傳統(tǒng)的鋰離子電池商業(yè)負(fù)極材料石墨無法進(jìn)行鈉離子的嵌入/脫出，而部分二元過渡金屬氧化物具有更大的晶面間距，可以滿足鈉離子的脫嵌。同時，二元過渡金屬氧化物的電導(dǎo)率和理論比容量通常高于單金屬氧化物，因此被作為鈉離子電池電極材料受到了廣泛的關(guān)注。但是過渡金屬氧化物充放電過程中由于充放電過程中的體積效應(yīng)，導(dǎo)致其循環(huán)性能不理想。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種二元過渡金屬氧化物與氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和鈉離子電池，解決了鈉離子電池負(fù)極材料過渡金屬氧化物充放電過程中由于充放電過程中的體積效應(yīng)，導(dǎo)致其循環(huán)性能不理想的問題。

其具體技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供了一種二元過渡金屬氧化物與氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：將含第一過渡金屬化合物與氧化石墨烯的分散液混合，得到第一產(chǎn)物；

步驟2：向所述第一產(chǎn)物中加入第二過渡金屬化合物進(jìn)行水熱反應(yīng)后，冷凍干燥，得到第二產(chǎn)物；

步驟3：將所述第二產(chǎn)物進(jìn)行煅燒，得到二元過渡金屬氧化物與氧化石墨烯復(fù)合材料；

所述第二產(chǎn)物包括：氧化石墨烯和普魯士藍(lán)類似物，所述普魯士藍(lán)類似物原位生長在所述氧化石墨烯上。

普魯士藍(lán)類似物本身原子結(jié)構(gòu)是三價鐵和碳形成配位、鈷與氰根中的氮形成配位，從而使得其微觀結(jié)構(gòu)是一個三維通道的結(jié)構(gòu)，其宏觀結(jié)構(gòu)由于原子的有序排列故呈現(xiàn)納米塊狀，這樣的多通道結(jié)構(gòu)是有利于鈉離子的嵌入和脫出的。

本發(fā)明步驟1中，含第一過渡金屬化合物與氧化石墨烯的分散液混合后，第一過渡金屬離子靜電吸附在氧化石墨烯的表面。

本發(fā)明步驟2中，含第二過渡金屬化合物的加入，經(jīng)水熱反應(yīng)之后，氧化石墨烯的表面原位生長出普魯士藍(lán)類似物，使得普魯士藍(lán)類似物與氧化石墨烯結(jié)合的更加緊密，使得電池在充放電過程中更加穩(wěn)定，從而提高了氧化石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)性能。通過水熱法使得氧化石墨烯交聯(lián)成為氧化石墨烯水凝膠，然后通過冷凍干燥除去水分形成三維結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯氣凝膠。在形成氧化石墨烯和二元過渡金屬氧化物復(fù)合材料的過程中，氧化石墨烯易發(fā)生團聚，使得其比表面積遠(yuǎn)低于理論值，活性位點也會顯著減小，通過構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯可以增加比表面積，從而增加活性位點，加快電子傳輸，有利于電解液的滲透以加快離子的擴散，同時有效緩解了二元過渡金屬氧化物的體積膨脹和提高復(fù)合材料的電導(dǎo)率。