[發明專利]一種高比容量的鈉離子電池負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010126414.4
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111244429A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 王新;王加義
• 申請（專利權）人: 肇慶市華師大光電產業研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/52;H01M4/62;H01M10/054;C01G51/04;C01B21/06
• 代理公司: 天津市尚文知識產權代理有限公司 12222
• 代理人: 郭平平

本發明屬于鈉離子電池的技術領域，具體的涉及一種高比容量的鈉離子電池負極材料及其制備方法。該負極材料為具有空心球結構的氮化鈷?四氧化三鈷復合物。在四氧化三鈷表面包覆一層氮化鈷，使得該負極材料用于鈉離子電池時在高電流密度下獲得更高的比容量，同時克服了單純金屬氧化物導電性不足的缺陷，包覆層可以提高空心球的結構穩定性。

技術領域

本發明屬于鈉離子電池的技術領域，具體的涉及一種高比容量的鈉離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

在眾多的能量存儲設備中，鋰離子電池因具有高能量密度和長循環壽命等優點，已迅速成為便攜式電子設備的重要電源。然而對于大規模的能量存儲，例如電動汽車和電網等相關應用，鋰離子電池卻面臨著巨大挑戰，主要原因是鋰的儲量非常有限(在地殼中僅占0.002％)，致使鋰離子電池價格昂貴，很大程度上制約著鋰離子電池的大規模應用。因此發展用于大規模儲能的新型儲能技術已成為迫切的需求。

鈉與鋰為同一主族元素，具有非常相似的電化學性質，鈉離子電池也能實現可逆充放電過程，而且鈉的儲量非常高(在地殼中約占2.74％)，因此鈉離子電池具有鈉資源豐富和成本低廉的突出優勢，成為今后在大規模儲能領域可能替代鋰離子電池的最佳候選。然而與鋰元素相比，鈉元素的相對原子質量較高，導致其理論比容量偏低；同時Na⁺半徑比Li⁺大(Na⁺半徑：0.106nm，Li⁺半徑：0.076nm)，使得Na⁺在電極材料中嵌入/脫嵌更難，造成電池的循環性能差，嚴重制約著鈉離子電池的商業化應用。

目前針對鈉離子電池正極材料的研究已經取得了顯著的進步，但對于負極材料的研究仍然有許多問題亟待解決，其中研究較多的包括石墨等。石墨雖然具有較高的儲鋰容量，但是其儲鈉能力很差，普遍認為因石墨的層間距(0.336nm)不適合Na⁺嵌入所致。因此如何進一步提高鈉離子電池負極的比容量、倍率性能和循環性能，成為能否將碳材料作為鈉離子電池負極材料大規模應用的關鍵。

發明內容

本發明的目的在于針對目前鈉離子電池放電比容量不高，循環穩定性差的缺陷而提供一種高比容量的鈉離子電池負極材料及其制備方法，該負極材料為具有空心球結構的氮化鈷-四氧化三鈷復合物，在四氧化三鈷表面包覆一層氮化鈷，使得該負極材料用于鈉離子電池時在高電流密度下獲得更高的比容量，同時克服了單純金屬氧化物導電性不足的缺陷，包覆層可以提高空心球的結構穩定性。

本發明的技術方案為：一種高比容量的鈉離子電池負極材料為具有空心球結構的氮化鈷-四氧化三鈷復合物。

所述高比容量鈉離子電池負極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備四氧化三鈷空心球：首先將葡萄糖和硝酸鈷溶解于去離子水后置于反應釜中進行水熱反應，反應完成后隨室溫冷卻得到懸浮液；將所得懸浮液離心收集產物并洗滌、干燥得到四氧化三鈷粉末備用；然后將所得四氧化三鈷粉末置于馬弗爐中進行熱處理，處理完成后隨室溫冷卻，即得具有空心球結構的四氧化三鈷粉末；

(2)制備氮化鈷-四氧化三鈷復合物：首先將步驟(1)所得具有空心球結構的四氧化三鈷粉末置于管式爐中在氬氣氣氛下升溫至400～600℃，升溫速率為1～5℃/min，隨后在保持氬氣持續通入的條件下開始通入氨氣，持續1～2h后關閉氨氣，使其在氬氣氣氛下自然冷卻，即得到具有空心球結構的氮化鈷-四氧化三鈷復合物。

所述步驟(1)中葡萄糖為5～13g，硝酸鈷為10～20g，去離子水為50～130mL。

所述步驟(1)中水熱反應的溫度為160～200℃，反應時間為4～10小時。

所述步驟(1)中馬弗爐熱處理具體為：在空氣條件下以1～10℃/min的升溫速度升溫至400～600℃，保溫1～3小時。