[發明專利]一種核殼結構的鋰離子混合電容器負極材料及制備和應用

在審

• 申請號: 202010117034.4
• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號: CN111292965A
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 陳堅;陳達明;王維娟
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01G11/26
• 分類號: H01G11/26;H01G11/50;H01G11/86
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明提供了一種核殼結構的鋰離子混合電容器負極材料及制備和應用，該核殼結構的鋰離子混合電容器負極材料具有獨特的核殼結構的氮摻雜的雙金屬硒化物，具有多孔結構增大了材料與電解液的接觸面積，有利于電子的快速傳輸,其制備以2?甲基咪唑和Zn(NO₃)₂·6H₂O為原料，通過靜置法得到ZIF?8，之后以ZIF?8為模板，2?甲基咪唑和Co(NO₃)₂·6H₂O為原料，通過水熱法得到ZIF?67@ZIF?8；接著以多巴胺為碳氮源與ZIF?67@ZIF?8復合，再與Se粉混合熱反應得到所述負極材料。該負極材料應用于鋰離子電池中，組裝成鋰離子混合電容器，在電化學中有很好的應用前景。

技術領域

本發明屬于材料學技術領域，尤其是涉及一種核殼結構的鋰離子混合電容器負極材料及制備和應用。

背景技術

電能存儲系統(EES)具有高能量密度、功率密度和長循環壽命，在移動電子、電動汽車和混合動力汽車中起著至關重要的作用，因此迫切需要開發先進的EES。鋰離子電池(LIB)和超級電容器(SC)是可逆電化學儲能裝置的兩種主要類型。LIB的能量密度高(＞250Wh kg^-1)，但其致命的缺點是循環性能差和功率密度低。相反，SC具有出色的循環性能和良好的功率密度，但它們的能量密度(＜10Wh kg^-1)相對較差，因此它們的應用也受到限制。這些性能差異與不同的能量存儲機制有關，SC通過在電極表面上吸附-解吸離子來存儲能量，而LIBs的能量存儲是通過鋰離子的插入提取實現的。因此，開發高級EES的關鍵策略是如何結合LIB和SC的優勢。混合鋰離子電容器(LICs)作為一種新型的混合動力系統，是介于鋰離子電池和鋰離子電池之間的一種新型能量中間體，結合了鋰離子電池的法拉第特性和電容特性，被認為是目前最有發展前途的儲能裝置之一。

但是，目前為止所研究的負極材料在實際過程中會出現很多的問題，主要有：(1)循環穩定性較差，在充放電循環過程中，由于負極材料會產生體積膨脹導致點擊粉化，容量會迅速衰減；(2)在電極表面形成不穩定的固態電解質膜(SEI)；(3)電池陰極中緩慢的法拉第反應與電容器陽極中快速的非法拉第吸附/解吸過程之間的動力學失衡等缺點，限制了其大規模的使用。

發明內容

技術問題：有鑒于此，本發明的目的是提供一種核殼結構的鋰離子混合電容器負極材料及制備和應用，該負極材料具有獨特的核殼和多孔結構，它們提供了大量的能量存儲活性部位，并且其殼的孔隙率使電解質能夠進入核內，同時縮短了通過殼的質量傳遞路徑，從而提高了功率密度；此外，電極材料的核和殼之間具有一定的空間，可有效緩沖Li⁺的插入應變，從而增大了陰極材料的循環穩定性，也不會對環境造成危害；再者，摻雜氮的碳原子提供了增強的電解質潤濕性和電子導電性，有效地補償混合LICs的兩個電極之間的動力學不平衡和緩慢的法拉第反應，使得在電化學中有很好的應用前景。

技術方案：為達到上述目的，本發明提供了一種核殼結構的鋰離子混合電容器負極材料的制備方法，該方法包括如下步驟：

1)將Zn(NO₃)₂·6H₂O溶解于甲醇溶液中得到溶液A，將2-甲基咪唑溶解于甲醇溶液得到溶液B，然后將溶液B加入到溶液A中，攪拌、靜置、離心、干燥得到ZIF-8；

2)將所述的ZIF-8分散于甲醇中，然后再加入十六烷基三甲基溴化銨和Co(NO₃)₂·6H₂O得到溶液C，將2-甲基咪唑溶解于甲醇溶液得到溶液D，然后將溶液C加入到溶液D中，攪拌進行水熱反應，然后離心、干燥得到ZIF-67@ZIF-8；

3)將所述的ZIF-67@ZIF-8分散于堿性緩沖溶液中，加入多巴胺，然后攪拌、靜置、離心干燥，得到樣品，將樣品與Se混合，在惰性氣氛下熱處理，得到所述的核殼結構的鋰離子混合電容器負極材料。