[發明專利]納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫核殼結構復合材料及其制備方法和電池應用

有效

• 申請號: 202110011915.2
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112811473B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 劉金云;張敏;朱莉影;韓闐俐;黃家銳
• 申請（專利權）人: 安徽師范大學
• 主分類號: C01G49/06
• 分類號: C01G49/06;C01G19/02;C01B32/194;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 任晨晨

本發明提供了納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫核殼結構復合材料及其制備方法和應用，首先合成納米手環狀的三氧化二鐵，再吸附具有良好性能的石墨烯量子點，并在石墨烯量子點三氧化二鐵的外層包裹上二氧化硅，最后通過二氧化錫的包裹，使二氧化硅溶解在溶液中，得到了核殼結構納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫復合材料。這種內部為空心的納米手環核殼結構，不僅在熏硫時可以容納更多的硫活性物質，并且在充放電過程中核殼結構也可以有效的緩解硫的體積膨脹問題。與現有技術相比本發明在材料中吸附了石墨烯量子點，增加了穩定性和導電性；核殼結構有利于緩解硫的體積變化；復合材料具有吸附多硫化物的能力，抑制穿梭效應。

技術領域

本發明屬于新能源材料技術領域，具體涉及納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫核殼結構復合材料及其制備方法和應用，作為硫載體應用于鋰硫電池正極及電池。

背景技術

在能源技術領域中，鋰硫電池作為二次鋰電池備受關注，和投入商業的鋰離子電池相比，鋰硫電池比能量更高(2600W·h/kg)，并且作為活性材料的硫成本更加低廉，使用時安全性更高，緩解電池在充放電過程中產生枝晶，增加電池的安全性，這些優點使得鋰硫電池成為具有潛在發展前景的電池體系。

由于鋰硫電池的優勢，在此方向上的研究眾多，但是硫的導電性差、在充放電循環期間體積高倍膨脹、反應過程由于中間產物多硫化鋰(Li₂S_n，4≤n≤8) 的溶解和沉積導致嚴重的穿梭效應等，這些問題導致鋰硫電池庫侖效率低、循環性能差以及活性物質損失。從而限制了鋰硫電池投入生產使用，不能適應實際生活中的需求。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫核殼結構復合材料及其制備方法。首先合成納米手環狀的三氧化二鐵，再吸附具有良好性能的石墨烯量子點，并在石墨烯量子點三氧化二鐵的外層包裹上二氧化硅，最后通過二氧化錫的包裹，使二氧化硅溶解在溶液中，得到了核殼結構納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫復合材料。這種內部為空心的納米手環核殼結構，不僅在熏硫時可以容納更多的硫活性物質，并且在充放電過程中核殼結構也可以有效的緩解硫的體積膨脹問題。

本發明還提供了納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫核殼結構復合材料的電池應用，用于制作鋰硫電池。以上述制備的納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫核殼結構復合材料為原料熏硫后，制備的鋰硫電池正極并組裝成鋰硫電池后，電池的循環穩定性好，循環100次后電池容量仍穩定在1007 mAh g^-1。

本發明具體技術方案如下：

納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫核殼結構復合材料，包括以下步驟：

1)將鐵源加入水中，繼續加入pH緩沖劑，混合攪拌均勻，水熱反應，得到納米手環三氧化二鐵；

2)取步驟1)制備的納米手環三氧化二鐵分散在水中，再加入石墨烯量子點溶液，分散均勻，水熱反應，得到石墨烯量子點三氧化二鐵；

3)將步驟2)制備的石墨烯量子點三氧化二鐵分散于溶劑中，攪拌均勻后，加入氨水和硅源，混合，攪拌反應，即可得到納米手環石墨烯量子點三氧化二鐵/二氧化硅復合納米材料復合材料；

4)將步驟3)制備的納米手環石墨烯量子點三氧化二鐵/二氧化硅復合納米材料復合材料分散于溶劑中，加入尿素與錫源攪拌均勻，水熱反應，得到納米手環三氧化二鐵/石墨烯量子點/二氧化錫核殼結構復合材料。

步驟1)中所述pH緩沖劑由硫酸鈉與磷酸二氫鈉組成；