[發明專利]一種硒化鈷/碳氣凝膠復合材料、其制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201911380036.6
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN111048779B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 張和平;潘月磊;程旭東;龔倫倫
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/054;B82Y30/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 付麗

本發明提供了一種硒化鈷/碳氣凝膠復合材料，由具有三維介孔網絡結構的碳氣凝膠和原位生長于所述碳氣凝膠介孔中的硒化鈷納米顆粒組成。本申請還提供了一種硒化鈷/碳氣凝膠復合材料的制備方法及其應用。本申請提供的硒化鈷/碳氣凝膠復合材料具有獨特的三維籠狀結構，三維籠狀硒化鈷/碳氣凝膠復合材料具有很高的贗電容特征，其作為鈉離子電池的負極材料，有利于增強材料的高倍率性能和長循環穩定性。

技術領域

本發明涉及鈉離子電池材料技術領域，尤其涉及一種硒化鈷/碳氣凝膠復合材料、其制備方法及其應用。

背景技術

金屬鈉資源豐富，價格比金屬鋰低廉很多，并且制取上簡單，過程環境友好，因此學者們將鈉離子電池作為下一代具有廣大前景的儲能技術，也將其作為未來可能替代鋰離子電池的最佳候選者。近幾年鈉離子電池的研究相繼取得了重要進展，制約鈉離子電池發展的短板-電池電極材料的種類也不斷豐富。然而，鈉離子具有較大的離子半徑和較慢的動力學速率，成為制約儲鈉材料發展的主要因素，而發展高性能的嵌鈉負極材料是提高鈉離子電池比能量和推進其應用的關鍵。

目前已知的可用于鈉離子電池負極材料主要有碳基材料、合金材料、非金屬單質、金屬氧化物以及有機化合物等。硒化鈷材料具有良好的半導體特性，導電性好，被視為優異的鈉離子儲能材料。但是，由于鈉離子的原子半徑較大，在硒化鈷材料中嵌入與脫出時會導致硒化鈷體積的劇烈膨脹和收縮，從而致使硒化鈷材料結構破壞，粉化嚴重，儲鈉能力大幅下降。此外，由于鈉離子自身的原子質量較大，遷移速度比鋰離子慢很多，因此其離子遷移速率較低，倍率性能較差。因此，需要設計一種硒化鈷復合材料，既能緩解儲鈉過程中的巨大體積膨脹帶來的結構破壞，又能夠大幅度提高鈉離子的嵌入和脫出速率，實現倍率性能的提升成為了充分挖掘硒化鈷材料儲鈉能力的關鍵。

公開號為CN105789584A的中國專利公開了一種硒化鈷/碳鈉離子電池負極材料的制備方法，其構造了一種獨特的硒化鈷納米棒生長在碳表面的結構，提高了鈉離子電池的比容量和循環性能。但是該方法采用的是高溫高壓的水熱反應制備方法，該方法危險性較高，對設備的要求嚴格，成本高昂，不適合在工業上推廣，并且其儲鈉性能在小倍率電流充放電情況下能提供較大的容量，在大電流條件下的性能一般。除此之外，該材料只循環了40圈，這遠遠不能達到商用的1000圈循環穩定性的要求，在應用上有一定困難。

公開號為CN104617271A的中國專利公開了一種用于鈉離子電池的硒化錫/氧化石墨烯負極材料，其采用水熱法將納米硒化錫沉積在氧化石墨烯片層表面，形成復合材料；該復合材料中硒化錫的形貌也呈現均勻的片狀，切厚度可控。當該材料用于鈉離子電池的負極時，表現出較高的放電比容量，優異的倍率性能和長循環穩定性。但是該材料需要采用昂貴的氧化石墨烯，在民用大規模使用上具有一定的局限性和困難。此外，該材料的制備方法采用高溫高壓的水熱方法，該方法需要高昂的設備投入，并且具有一定的危險性，因此在工業推廣上有很大的阻力；并且該材料的長循環只有200圈，在循環過程中還在不斷衰減，因此其穩定性還不能滿足商用的1000圈循環穩定的要求。

綜合已有的專利和文獻資料可以看出，目前硒化鈷鈉離子電池負極材料存在著制備工序復雜、電池長循環性能差、循環圈數低以及能量密度低等問題。因此，急需設計并制備一種具有特殊三維結構和優異電化學性能的硒化鈷復合材料。

發明內容

本發明解決的技術問題在于提供一種硒化鈷/碳氣凝膠復合材料，本申請復合材料應用于鈉離子負極材料時具有較好的結構穩定性和電化學性能。

有鑒于此，本申請提供了一種硒化鈷/碳氣凝膠復合材料，由具有三維介孔網絡結構的碳氣凝膠和原位生長于所述碳氣凝膠介孔中的硒化鈷納米顆粒組成。

優選的，所述碳氣凝膠中的碳納米小球的粒徑為15～25nm，所述碳氣凝膠的介孔尺寸為10～35nm，所述硒化鈷納米顆粒的粒徑為25～55nm。

本申請還提供了一種硒化鈷/碳氣凝膠復合材料的制備方法，包括以下步驟：