[發明專利]氯化鉍@多孔碳復合氯離子電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110328511.6
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113078312B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 張昶;孫世姣;趙相玉
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/05
• 代理公司: 南京行高知識產權代理有限公司 32404
• 代理人: 王菊花

本發明提供一種氯化鉍@多孔碳復合氯離子電池正極材料及其制備方法，其制備過程包括：將一定量的BiCl₃溶解在鹽酸中；再將得到的BiCl₃溶液與一定量的多孔碳材料混合均勻，其中多孔碳的總孔體積應大于或等于所加入鹽酸的體積；然后將所得混合物在真空環境下靜置至少12h；最后，將所得混合物在一定溫度和真空環境下旋轉蒸發3?5h，其中保溫溫度的范圍可設定在120?140℃，得到BiCl₃@多孔碳復合材料。本發明的氯化鉍@多孔碳復合氯離子電池正極材料，在組裝氯離子電池后循環性能明顯優于純BiCl₃，尤其是在60次循環以后依然保持90mAh g^?1的穩定容量，取得了顯著的提升。

技術領域

本發明涉及二次電池技術領域，尤其是電池正極材料技術，具體而言涉及一種氯化鉍@多孔碳復合氯離子電池正極材料。

背景技術

隨著科技的發展和對可再生能源的迫切需求，電能作為一種容易控制和轉換的清潔能源形態越來越受到人們的重視，而作為儲能設備的二次電池在其中起到至關重要的作用。目前應用最廣泛的鋰離子電池受到比能量密度、材料豐度、成本和安全性等限制，已經很難滿足未來人們日趨增長的需求。因此，開發一種儲量大、性能優異、安全性好、污染小、成本低廉的新型二次電池已迫在眉睫。

作為基于氯陰離子傳導的氯離子電池是鋰離子電池非常有前途的替代品。氯離子電池所使用的正極材料(金屬氯化物、金屬氯氧化物、氯摻雜導電聚合物等)和負極材料(鈉、鎂、鈣等)儲量豐富，價格低廉。此外氯離子電池的電池體系在電化學轉換時具有較大自由能的變化，可以產生較高的電動勢，據報道金屬氯化物/金屬體系的理論能量密度可達2500Wh L^-1，高于傳統的鋰離子電池(1901Wh L^-1)。

近年來，雖然關于氯離子電池正極材料的報道層出不窮，但是對金屬氯化物正極的研究、試驗和產業化卻鮮有進展。2013年，X.Y.Zhao等在《Chloride ion battery:A newmember in the rechargeable battery family》中首次提出氯離子電池概念的報道中就使用金屬氯化物作為正極材料，并總結出了該材料面臨的主要問題：充放電過程中巨大的體積變化以及易溶于電解液發生穿梭效應，這使得該體系的電池幾乎不具備反復充放電的能力。因此，在之前的研究中，金屬氯化物，例如CoCl₂,VCl₃,CuCl₂等，均只有首次充放電性能。然而，BiCl₃作為金屬氯化物的特例，它不溶于電解液，是目前唯一一個報道過有3次循環性能的氯化物正極材料。然而，該材料的容量衰減仍是十分嚴重，這主要是BiCl₃材料的導電性較差和充放電過程中較大的體積變化導致的。

現有技術中嘗試對BiCl₃進行改性處理，以期望改善其應用在氯離子電池體系中的循環性能，但由于BiCl₃極易水解生成BiOCl，即使BiCl₃在干燥的空氣中暴露幾分鐘，也會有BiOCl雜質出現。因此，在傳統的改進過程中，要求整個制備過程不接觸空氣，同時要求實驗儀器和原料藥品都必須保證極低的水分，否則將影響最終產物的純度，批量生產的難度較大，成本較高，而制備過程耗時較長，只要期間稍微接觸到空氣，就會有雜質BiOCl產生，這將明顯增加了失敗的風險。

發明內容

本發明的目的是針對BiCl₃材料循環性能差的缺點，提供一種具有良好電化學活性的BiCl₃@多孔碳復合氯離子電池正極材料。

本發明的另一目的是提供一種以多孔碳為載體，制備上述BiCl₃@多孔碳復合正極材料的方法。

根據本發明改進的第一方面提供一種BiCl₃@多孔碳復合氯離子電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：