[發明專利]一種高性能水系電池用鉍基負極及制備方法

有效

• 申請號: 202110494725.0
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113258025B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 馮麗萍;劉鵬飛;何炅劼;劉思維;賈凌鋒;李澤天
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/38;H01M4/66;H01M10/36
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種高性能水系電池用鉍基負極及制備方法，采用碳布作為力學支撐體，將碳納米管分散液和黃原膠凝膠混合得到凝膠狀物質涂覆在碳布上，高溫碳化處理得到多孔導電碳；以BiI₃粉末為生長源，多孔導電碳為生長基底，通過優化升溫程序，得到長有BiOI納米片的多孔導電碳基底；在電化學三電極系統中，通過循環伏安電化學還原法將BiOI原位拓撲轉變為鉍活性物質，得到高性能鉍基自支撐電極。本發明制備的鉍基負極單位面積活性物質負載量高(27.5mg cm^?2)，電極力學性能好，面積比容量高達2.17mAh cm^?2，并且具有出色的循環穩定性，該電極在恒電流充放電5000次后的保容率為93.1％。

技術領域

本發明屬于電池用負極及制備方法，涉及一種高性能水系電池用鉍基負極及制備方法。

背景技術

自2004年石墨烯材料被發現以來，二維材料由于其特殊的電子，機械和光學特性而備受關注。在隨后的十多年來對二維材料的相關研究方興未艾，大量的理論和實驗成果被報道，二維材料的種類和相關應用逐漸增加。二維材料因其獨特的晶格結構和尺寸特性彰顯出卓越的物理、化學和機械性能，從而奠定了其在納米光電子器件、儲能、催化、生物醫學以及航空航天等多個領域的巨大應用潛力。二維鉍基化合物從組成元素劃分，可分為一元(二維鉍材料)，二元(鉍硫族和鉍鹵族化合物)，三元(在Bi₂O₂層中插入陰離子基團，構成的鉍族三元層狀化合物)以及多元層狀化合物。與體相的鉍基化合物材料相比，二維形態的鉍族化合物具有更多的界面暴露原子，更大的比表面積，因而具有一些體相鉍族化合物所不具備的納米材料特性和豐富的物理化學性質，使其在儲能、催化、光電探測以及熱電等領域具有巨大的應用潛力和優勢。

鉍基化合物作為電極材料在采用有機電解液的電化學電池(鋰離子電池，堿土金屬離子電池，液流電池等)中已有大量的相關研究和報道，而鉍基化合物作為水系電解液的相關研究還較少?，F有的研究成果通常采用水熱合成法來制備鉍基化合物作為水系電池的活性物質，通過后續的涂覆干燥等工藝來實現鉍基負極的制備。整個制備流程繁瑣低效，且制備的電極通常存在穩定性較差，單位面積比容量低的問題。因此，自支撐鉍基負極整體制備技術具有重大的應用價值。本課題組首先通過凝膠涂覆和碳化構筑多孔導電碳基底，隨后采用化學氣相沉積方法與電化學還原方法相結合的策略在多孔導電碳基底上制備高性能水系電池用鉍基負極。本發明制備的水系電池用鉍基負極具有出色的循環穩定性和單位面積比容量，是一種極具潛力的水系電池用負極材料。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種高性能水系電池用鉍基負極及制備方法，所需設備和源材料簡單，可大規模生產。與現有的電極相比，本專利中的電極組成結構為集成式結構，即活性物質直接生長于多孔導電碳基底，且鉍氧碘是一種用于水系離子電池的全新負極材料。制備得到的鉍基負極電化學性能優良、單位面積比容量大、循環穩定性好。本發明為研究者提供一套大規模制備高性能水系電池負極的有效方案。

技術方案

一種高性能水系電池用鉍基負極，其特征在于包括活性物質和多孔導電碳基底；其中多孔導電碳基底的結構為：碳布中每一根碳纖維的表面包覆疏松多孔狀的無定形碳；所述活性物質生長于無定形碳的表面，以碳纖維為中心軸，由內向外依次為無定形碳和活性物質的同軸結構，使得活性物質與柔性碳布集流體實現了納米級別的緊密結合；所述活性物質為具有納米片形貌的金屬鉍。

所述碳纖維表面的單位面積活性物質負載量27.5mg cm^-2單位面積比容量高達2.17mAh cm^-2。

一種制備所述高性能水系電池用鉍基負極的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將碳布用濃硝酸浸泡處理1～3小時后，清洗烘干；將USP級黃原膠粉末溶于去離子水中形成黃原膠凝膠；