[發(fā)明專利]一種金屬氧化物-石墨烯量子點復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111111325.3
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN113948669A
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 侯紅帥;郭瑞婷;紀(jì)效波;鄒國強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/36;H01M4/50;H01M4/583;H01M10/36
• 代理公司: 長沙智路知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 43244
• 代理人: 張毅

本發(fā)明公開一種金屬氧化物?石墨烯量子點復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，該復(fù)合材料的制備方法包括步驟：將合成的石墨烯量子點加入水中，形成分散溶液，然后加入將可溶性金屬鹽和氧化劑，待可溶性金屬鹽溶解后，進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到金屬氧化物?石墨烯量子點復(fù)合材料。本發(fā)明利用石墨烯量子點作為修飾劑修飾金屬氧化物形成MO_x?GQDs復(fù)合材料，一方面改善金屬氧化物固有的低電子導(dǎo)電性，另一方面抑制金屬氧化物在水系多價金屬離子電池充放電過程中材料的溶解，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。另外，本發(fā)明的制備方法簡單，為材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種普適又高效的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬氧化物-石墨烯量子點復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種金屬氧化物-石墨烯量子點復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著化石燃料消耗的不斷增加，大氣中的有毒氣體如氮氧化物和硫氧化物的濃度也隨之增加，這些氣體與全球變暖有關(guān)。風(fēng)能和太陽能等可再生能源是最有希望減少化石燃料使用的能源，并具有無限的優(yōu)勢。盡管這些資源是無限的，但它們是間歇性的，并且并不總是可用的。為了利用這些無限的能源，需要在可用時儲存能量，電池系統(tǒng)在其中發(fā)揮著重要作用?？沙潆娝刀鄡r離子電池(鋅離子電池、鎂離子電池、鋁離子電池等)被認(rèn)為是最有希望的電網(wǎng)儲能候選產(chǎn)品，可以替代目前使用的使用有毒鉛化合物的鉛酸電池和資源有限的鋰離子電池。低價格、安全、無毒和豐富的金屬儲量使之非常有吸引力。其中，金屬鋅的理論重量容量和體積容量分別為820毫安時/克和5855毫安時/立方厘米。雖然鋅離子和鋰離子的半徑相似，但較大的原子質(zhì)量和較高的電荷密度阻礙了電極中的傳輸動力學(xué)和固態(tài)溶解度，因此，適用于鋰離子插入/脫出的電極材料可能不適用于水系鋅離子電池。所以，選擇合適的正極材料是目前鋅離子面臨的重大挑戰(zhàn)之一。迄今為止，錳基氧化物、釩基氧化物、普魯士藍(lán)類似物和有機(jī)物等已被報道為高性能鋅離子電池正極材料。

錳基材料具有安全性高、資源豐富、環(huán)境友好、無毒、成本低等優(yōu)點，在許多電池應(yīng)用中被廣泛使用。二氧化錳在高工作電壓和理論容量為308mAh g^-1，已成為水系錳基鋅離子電池(ZIBs)的主要正極材料之一。一般來說，通過角/邊共享的MnO₆八面體的各種排列導(dǎo)致不同二氧化錳的多晶型物，錳基氧化物材料作為ZIBs的優(yōu)良正極。它們通常具有穩(wěn)定的循環(huán)性能、較高的Zn²⁺插入電位和較高的可逆容量。然而，Mn²⁺溶解引起的快速容量衰減在錳基氧化物正極材料中普遍存在。另一個問題是缺乏有效的工具來研究錳基氧化物正極的反應(yīng)機(jī)理，它們的反應(yīng)機(jī)制復(fù)雜且不成熟。其中最致命的缺點是反應(yīng)動力學(xué)較慢，這歸因于Zn²⁺離子和主體材料之間的強(qiáng)靜電作用。因此，需要設(shè)計新納米結(jié)構(gòu)的新方法來提供更好的結(jié)構(gòu)完整性以及快速和短的Zn²⁺遷移通道。目前普遍采用的改性策略為：1)層間插層：將金屬離子或分子/聚合物引入層間，調(diào)節(jié)層狀材料的層間環(huán)境，增大間距，改善結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并提高傳輸動力學(xué)；2)摻雜：在陰極材料的結(jié)構(gòu)中引入雜金屬離子或雜非金屬原子，調(diào)節(jié)陰極材料的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而改善其反應(yīng)動力學(xué)和電化學(xué)性能；3)缺陷工程：提供更多的活性位點，改善離子/電子傳輸動力學(xué)，以及增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；4)表面涂層和復(fù)合材料：在電極材料表面構(gòu)建均勻而穩(wěn)定的保護(hù)層的策略，充當(dāng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以提高電導(dǎo)率，并促進(jìn)界面電子傳輸，有效緩解活性物質(zhì)的自堆積或聚集，充當(dāng)物理界面，減少M(fèi)nO_x與電解質(zhì)的直接接觸，抑制Mn的溶解；5)形貌調(diào)控：規(guī)則納米結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計有望賦予陰極材料高比表面積、豐富的活性位點、較短的離子/電子傳輸路徑和快速的反應(yīng)動力學(xué)。

然而，目前錳氧化物的設(shè)計仍處于研究階段，優(yōu)化結(jié)果不夠理想，主要存在以下問題：1)簡單的碳復(fù)合并不能從根本上提升電導(dǎo)率，全面包覆可能會影響離子的嵌入，且碳含量難以控制，常規(guī)碳復(fù)合易產(chǎn)生過高的碳含量，降低容量；2)缺陷工程、摻雜、層間插層和形貌設(shè)計有時面臨各種繁瑣的設(shè)計步驟與晶體結(jié)構(gòu)的變化，是充放電反應(yīng)機(jī)理變得復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容