[發明專利]納米摻氮輝銻礦復合材料、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 202010872063.1
• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN112072088B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 俞娟;孟必成;彭嘉鑫;黃文龍;魏銀博;何喜紅;李林波
• 申請（專利權）人: 西安建筑科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 石家莊科誠專利事務所(普通合伙) 13113
• 代理人: 劉麗麗;左燕生

本發明公開了一種納米摻氮輝銻礦復合材料，以重量為份數計，其制備原料包括：天然輝銻礦5～20份、鹽酸多巴胺20～30份、氯化鈉20～40份、氯化鉀10～20份、氯化鋇5～10份、碳源5～20份。本發明還公開了上述納米摻氮輝銻礦復合材料的制備方法及應用。本發明實現了對天然輝銻礦的高附加值利用，并且工藝過程簡潔，對設備要求低、無污染、成本低，適于大面積工業應用。本發明既實現了對輝銻礦的納米化，緩解了其循環過程的體積膨脹，同時摻氮元素使得硫化銻的活性位點增加，能夠改善其導電性能；該納米摻氮輝銻礦復合材料可用作鋰離子電池負極材料。本發明屬于礦物電池材料技術領域，用于制備納米摻氮輝銻礦復合材料。

技術領域

本發明屬于礦物材料技術領域，涉及一種納米結構的復合材料，具體地說是一種納米摻氮輝銻礦復合材料、其制備方法及應用。

背景技術

世界已探明的輝銻礦儲量為400多萬噸，其中，中國的輝銻礦儲量占比50%以上。中國銻的儲量、產量、出口量在世界上均占有重要地位。中國有銻產地111處，主要包括貴州省的萬山、務川、丹寨、銅仁、半坡，湖南省的新晃等汞礦，湖南省的冷水江市錫礦山、板溪，廣西壯族自治區的南丹縣大廠礦山，甘肅省的崖灣銻礦，陜西省的旬陽汞銻礦。

傳統工藝中，天然輝銻礦是經過精煉還原提取單質銻，并應用于特種合金、橡膠、紡織、陶瓷、玻璃、半導體和醫藥等方面。但是傳統工藝流程復雜，一方面生產過程伴隨有毒氣體產生，影響人們的身體健康；另一方面產生的廢水會破壞植被，造成土地沙漠化。因此，尋求低成本、環保、高附加值的技術手段是輝銻礦合理利用的迫切需求。

作為新一代可充電電源，鋰離子電池因具有能量密度大、工作電壓高、工作溫度范圍寬、循環壽命長、安全性能高等優點，成為當前充電電池的主流發展方向。近年來，鋰離子電池的應用范圍越來越廣泛，被廣泛應用于水力、火力、風力和太陽能電站等儲能電源系統，以及電動工具、電動自行車、電動摩托車、電動汽車、軍事裝備、航空航天等多個領域。

鋰離子電池的負極材料大多采用石墨材料，但是目前商用的石墨材料理論比容量僅為372mAh/g，無法滿足人們日益增長的需求。而硫化銻理論比容量高達946 mAh/g，引起人們的廣泛研究。但是硫化銻作為商業負極材料存在以下問題：一方面，硫化銻顆粒在充放電過程中伴隨嚴重的體積變化，破壞電極結構，進一步致使容量衰減。另一方面金屬硫化物固有的導電性能差嚴重阻礙了電子的傳遞，降低電化學性能。

為了解決上述問題，人們做了很多研究和探索。其中，合成納米結構的硫化銻是一種重要的改良方法，納米結構可以縮短鋰離子的擴散路徑，增加電極與電解質之間的接觸面積，并適應鋰插入過程中的機械應力；另一重要方法是改善電導率將活性材料分散到高導電性基體中以制備復合陽極材料。

如，Yucheng Don等(Nanoscale,2018,10,3159)通過水熱法制備出Sb₂S₃ nanorods附著于石墨烯納米片的新型復合負極材料，該負極材料表現出了良好循環穩定性；RomainParize等（Materials and Design，2017,1,10）通過化學沉積法制備成硫化銻薄膜，提高了緩解了其充放電過程中的體積膨脹；Jianjun Xie（Journal of Power Sources, 2019,435）等采用電紡絲技術結合水熱反應合成Sb₂S₃/碳硅氧化物(Sb₂S₃ /CS)納米纖維表現出優越的鋰離子存儲性能。

盡管上述工作都改善了硫化銻材料的導電性、緩解了體積效應，但其制備工藝復雜，對設備要求高，價格昂貴；同時僅使用碳材料改善硫化銻的導電性，其效果是有限的，而使用其他貴金屬改善導電性能又不利于調控成本。

發明內容

本發明的目的，是要提供一種納米摻氮輝銻礦復合材料，其制備原料直接采用天然輝銻礦，實現了對天然輝銻礦的高附加值利用；