[發明專利]一種基于錳基團簇衍生物的三維復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202011109257.2
• 申請日: 2020-10-16
• 公開（公告）號: CN112242511A
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 黃鵬;胡海
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/50;H01M4/583;H01M10/054
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹翠珍

本發明公開了一種基于錳基團簇衍生物的三維復合材料及其制備方法和應用，該材料包括質量比為2:1:2的錳基團簇、碳納米管和氧化石墨烯，將錳基團簇Mn₁₂嵌入到3D導電網絡CNT/RGO中，通過淬火將錳基團簇轉化為MnO@C納米球，最終形成所述基于錳基團簇衍生物的三維復合材料MnO@C/CNT/RGO。本發明的MnO@C/CNT/RGO材料合成簡單，具有優良的機械強度和導電性，將其運用于鈉離子電池負極材料中，在鈉離子電池性能測試中有著優異的表現，具備良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于鈉離子電池技術領域，具體涉及一種基于錳基團簇衍生物的三維復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著可再生能源、分布式發電和智能電網的迅速發展，探索具有獨特特征的新儲能裝置變得越來越重要。由于鈉離子的天然豐富性和低成本，鈉離子電池(SIB)作為鋰離子電池(LIB)的有前途的替代品已引起了普遍關注。由于鈉離子的半徑比鋰離子的半徑大得多，SIBs電極材料的比容量較低，循環穩定性較差。因此，開發具有高可逆容量，穩定的結構穩定性和優異的倍率能力的電極材料是這些領域中的緊迫問題。在某種程度上，正極材料已經得到了很好的開發，這主要歸功于其在LIB中的對應材料。相反，負極材料面臨與體積變化，電子和離子的固有導電率低以及壽命不令人滿意相關的嚴重問題。這些令人沮喪的問題嚴重阻礙了SIB的發展。

在過去的幾年中，人們一直在努力探索適用于SIB的負極材料，并且已經取得了重大進展。提出了兩種有效的途徑，包括制造精細的納米結構和制備多功能復合材料。一方面，有意設計和制備的納米級材料通常具有分層結構，這有利于電解質的滲透。結果，鈉離子的擴散路徑大大減少，并且可以獲得增強的電化學性能。另外，納米級的分層結構還可以減輕充電/放電過程中的體積變化。另一方面，多功能復合材料可以結合組件的內在優勢，同時解決與導電性和結構穩定性有關的問題。在各種負極材料中，過渡金屬氧化物在SIB中起著重要的作用。為此，將金屬氧化物限制或嵌入(雜原子摻雜的)碳質基質中形成分層的雜化體是一種普遍的方法，該雜化體可以適應大的體積變化，提高電導率并保持電極完整性。這些發現指導人們尋找其他合適的前體替代物，以發現一種新方法來合成復合材料，從而獲得新穎的構型和出乎意料的性能。

錳基團簇是功能性金屬材料，其金屬節點通過給電子有機連接子相互連接，此類納米系統中的電子通常與其金屬中心的對稱性、拓撲結構和連通性密切相關。為了同時實現出色的循環穩定性和速率能力，還沒有探索將簇納米化均勻分布在高效的3D互連體系結構中，該體系結構具有較大的表面積和高孔隙率，可用于鈉離子電池。但目前關于該材料的復合形式及相關應用還未見報道。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種基于錳基團簇衍生物的三維復合材料及其制備方法和應用，通過使用錳基團簇作為前體來合成鈉離子電池的高性能負極材料。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種基于錳基團簇衍生物的三維復合材料，包括質量比為2:1:2的錳基團簇、碳納米管和氧化石墨烯，將錳基團簇Mn₁₂嵌入到3D導電網絡CNT/RGO中，通過淬火將錳基團簇轉化為MnO@C納米球，最終形成所述基于錳基團簇衍生物的三維復合材料MnO@C/CNT/RGO。

一種基于錳基團簇衍生物的三維復合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1)將100mg Mn₁₂溶于100mL去離子水中，然后50mg的CNT和100mg的GO加入攪拌并在80℃加熱直至變稠，通過在80℃下真空干燥12h獲得中間產物Mn₁₂/CNT/RGO；

步驟2)將中間產物Mn₁₂/CNT/RGO在Ar氣氛下于500℃進一步退火6h，即得到所述基于錳基團簇衍生物的三維復合材料MnO@C/CNT/RGO。

一種基于錳基團簇衍生物的三維復合材料在制備鈉離子電池中的應用。