[發明專利]一種化學鍵增強的包埋單分散納米合金顆粒的銀耳狀多孔碳球及制備與應用

有效

• 申請號: 202110310113.1
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN113130864B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 嚴玉蓉;黃楚云;吳松平;續安鼎;李桂蘭
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/38;H01M10/054;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳智英

本發明屬于電池負極材料的技術領域，公開了一種化學鍵增強的包埋單分散納米合金顆粒的銀耳狀多孔碳球及制備與應用。方法：1)采用水將有機鉍鹽、有機銻鹽、水溶性碳源和氯化鉀配成溶液，獲得前驅體溶液；通過去除前驅體溶液中溶劑將前驅體溶液制成前驅體微球；2)在保護性氛圍中，將前驅體微球進行煅燒，獲得前驅體碳球；3)將前驅體碳球浸漬于水中，洗滌，干燥，獲得包埋單分散鉍銻合金納米顆粒的銀耳狀多孔碳球。本發明的方法簡單，所獲得碳球為銀耳狀多孔碳球，納米合金顆粒包埋于銀耳狀多孔碳球的二維碳片中。本發明的碳球具有較好的電化學性能。本發明的銀耳狀多孔碳球用于鉀離子電池負極和/或鈉離子電池負極。

技術領域

本發明屬于電池負極材料的技術領域，具體涉及一種化學鍵增強的納米鉍銻合金顆粒包埋于銀耳狀多孔碳球及其制備方法與應用。所述化學鍵增強的納米鉍銻合金顆粒包埋于銀耳狀多孔碳球在鉀離子電池和/或鈉離子電池中的應用，用作鉀離子電池和/或鈉離子電池負極材料。

背景技術

當前，隨著社會經濟及科技的發展，人類對化石能源的消耗日益增長，由此造成的環境污染及能源緊缺問題成為當前的重大挑戰。可充電電池作為一種二次電池儲能系統，能夠將一些可再生資源轉化為電能儲存起來用于各種用電器，具有清潔、便攜等特點，可充電電池已經成為有望代替化石能源的重要工具。其中，鉀離子和鈉離子電池相比于當前廣泛應用的鋰離子電池，成本更低，資源更豐富。然而，目前鉀離子和鈉離子電池還很難實現工業化應用，原因之一在于鉀離子和鈉離子負極材料很難兼具高容量和大電流下穩定的循環性能。

一般來說，相比于碳材料，金屬基材料具有較高的理論容量，如：金屬鉍。金屬鉍具有高理論容量成為十分有前景的負極材料。然而，其也面臨著金屬基材料普遍面臨的問題，即充放電過程中體積變化巨大，材料容易發生破碎并脫離集流體，造成容量急劇下降。雖然通過高溫煅燒實現碳包覆或材料納米化是當前對金屬基材料普遍使用的改進方法。但是，一方面，對于鉍這種低熔點(271.4℃)金屬來說，高溫煅燒過程中往往熔化聚集，導致金屬顆粒尺寸過大，充放電過程中體積膨脹巨大，從而導致材料破碎，或者融化的金屬從碳基體中流出，出現在碳材料表面，碳材料起不到包覆、約束的作用。另一方面，金屬顆粒和碳材料之間往往結合力很弱，循環過程中容易從碳基體中脫落，造成材料的容量損失。因此，開發一種具有長壽命、高倍率性能的鉀/鈉離子電池負極材料具有十分重要的意義。

發明內容

針對以上現有技術存在的缺點和不足之處，本發明目的在于提供一種化學鍵增強的包埋單分散納米合金顆粒的銀耳狀多孔碳球及其制備方法。本發明采用鉍銻合金化和原位碳化相結合的方法，合成了包埋單分散BiSb合金納米顆粒的銀耳狀多孔碳球。本發明所制備的銀耳狀多孔碳球合金納米顆粒用于鉀離子和/或鈉離子電池負極時，具有超長的循環壽命和優異的倍率性能。

針對金屬鉍熔點低，容易在碳化過程中熔化、聚集、流淌的問題，本發明將金屬鉍與金屬銻進行復合，抑制了低熔點鉍的流淌聚集。同時，本發明采用有機鉍鹽和有機銻鹽作為前驅體，熱解過程中有機框架先在離子周圍形成碳框架，之后再將金屬離子還原成單質，能夠有效限制金屬聚集成大顆粒，形成納米級分散的鉍銻合金顆粒。

針對金屬顆粒和碳基體間結合力弱的問題，本發明采用KCl，促進金屬和碳基體間M-O-C鍵的形成，大大提高金屬顆粒和碳基體間的結合力。

本發明的另一目的在于提供上述化學鍵增強的包埋單分散納米合金顆粒的銀耳狀多孔碳球在鉀離子和/或鈉離子電池負極中的應用。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種化學鍵增強的包埋單分散納米合金顆粒的銀耳狀多孔碳球的制備方法，包括以下步驟：

1)采用水將有機鉍鹽、有機銻鹽、水溶性碳源和氯化鉀配成溶液，獲得前驅體溶液；通過去除前驅體溶液中溶劑將前驅體溶液制成前驅體微球；

2)在保護性氛圍中，將前驅體微球進行煅燒，獲得包埋單分散鉍銻合金納米顆粒的前驅體碳球；