三维超薄碳负载锑铋纳米材料及其制备方法

本发明属于钠/钾离子二次电池电极材料，涉及三维超薄碳负载锑铋纳米材料，还涉及上述纳米材料的制备方法。

背景技术：

1、与锂元素相比，钠/钾的标准电极电位更高，地壳中含量更加丰富，路易斯酸度较小。因此，钠/钾离子二次电池具有较高的安全性能、低成本且由于去溶剂化缘故，钠/钾离子在某些电解质中迁移速率更快。因而，近年来钠/钾离子电池受到广泛关注。

2、近年来报道的用于钠/钾离子电池的负极材料主要包括插层负极，转换负极和合金负极等。其中，合金型锑基材料多为层状褶皱结构，该结构有利于离子迁移，同时具有良好的电导率，有利于电荷的转移，储钠和储钾都具有较高的理论比容量660mahg-1，而成为一种非常有潜力的储能材料。但在储能过程中，钠/钾离子在其层间的重复嵌入脱出会导致电极结构坍塌，容量迅速衰减。为了解决此类问题，最有效的方法之一就是双金属合金化，通过双相协同效应增强界面钠/钾存储。在已经报道的锑基合金中，锑铋合金由于具有以下优点而成为研究热点：一、锑铋可在任意摩尔比下混合形成固溶体sbbix，有利于合金比例的调控；二、锑铋位于同一主族，具有相似的理化性质，可以确保平稳的电压平台；三、锑铋合金可以催化非晶碳材料形成石墨烯包覆层，在钠/钾离子嵌入脱出时起到良好的缓冲作用。此外，锑铋合金的结构特性对钠/钾电池性能也十分重要，传统的机械球磨方法会导致纳米颗粒过大，制备的材料导电性较差，会减慢钠/钾离子在活性材料中穿梭的反应动力学，从而影响钠/钾电池的可逆性。因此，合金颗粒应尽量纳米化，并与碳材料复合，以提高材料的导电性；迄今为止，碳/锑铋合金的精确配比以及在钠/钾离子电池中的应用等方面还没有深入的研究，因此本发明侧重研究纳米结构与合金配比的精确调控对钠/钾储存性能的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种三维超薄碳负载锑铋纳米材料，解决了现有技术中存在的材料电极结构易坍塌、纳米颗粒过大的问题。

2、本发明的另一目的是提供一种上述纳米材料的制备方法。

3、本发明所采用的技术方案是，三维超薄碳负载锑铋纳米材料，由氯化钠、醋酸锑、氯化铋和柠檬酸铵组成，氯化钠为2000～3000份、醋酸锑为95～474份、氯化铋为100份和柠檬酸铵为100～500份。

4、本发明所采用的另一技术方案是，上述纳米材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

5、步骤1、按照份数分别称取以下组分：2000～3000份氯化钠、95～474份醋酸锑、100份氯化铋和100～500份柠檬酸铵；

6、步骤2、将步骤1称好的氯化铋、氯化钠、醋酸锑和柠檬酸铵溶解于去离子水中，搅拌均匀得到混合溶液；

7、步骤3、将步骤2得到的混合溶液利用真空冷冻干燥技术进行干燥，得到前驱体粉末；

8、步骤4、将步骤3制得的前驱体粉末平铺于瓷舟中，然后将瓷舟至于管式炉中进行煅烧，得到煅烧产物；

9、步骤5、将步骤4得到的煅烧产物用去离子水和酒精交替洗涤抽滤后进行烘干，得到三维超薄碳负载锑铋纳米材料。

10、本发明另一技术方案的特点还在于：

11、步骤4中管式炉采用氩氢混合气。

12、步骤4中的煅烧具体为：以1℃/min～10℃/min的升温速率升温至650℃～850℃，保温1h～2h，反应结束后冷却至室温。

13、步骤5中烘干温度为60℃～100℃。

14、本发明的有益效果是：本发明利用盐模板辅助高温碳热还原法制备出不同合金比例的三维超薄碳负载锑铋纳米材料即sbbix@c，通过对sbbix@c中锑铋合金比例的调控，有效减小了锑铋合金纳米颗粒尺寸，缩短了钠/钾离子在复合材料内部的扩散路径，加快了钠/钾离子反应动力学；盐模板辅助高温碳热还原法制备sbbix@c，成本低廉、反应过程简单、可工业化量产、可控性强；同时本发明纳米材料结构均一、形貌优良、性能优异，用于钠/钾离子电池负极具有较高的放电比容量与优异的循环性能，所制sbbi0.5@c用于钠离子电池负极时在0.1ag-1的电流密度下循环100次仍能保持301mahg-1的比容量，用于钾离子电池负极时在0.1ag-1的电流密度下循环100次仍保持410mahg-1的比容量，容量保持率为90％。

技术特征：

1.三维超薄碳负载锑铋纳米材料，其特征在于，由氯化钠、醋酸锑、氯化铋和柠檬酸铵组成，氯化钠为2000～3000份、醋酸锑为95～474份、氯化铋为100份和柠檬酸铵为100～500份。

2.一种如权利要求1所述纳米材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

3.根据权利要求2所述纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中管式炉采用氩氢混合气。

4.根据权利要求2所述纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的煅烧具体为：以1℃/min～10℃/min的升温速率升温至650℃～850℃，保温1h～2h，反应结束后冷却至室温。

5.根据权利要求2所述纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中烘干温度为60℃～100℃。

技术总结
本发明公开了三维超薄碳负载锑铋纳米材料，由氯化钠、醋酸锑、氯化铋和柠檬酸铵组成，氯化钠2000～3000份、醋酸锑95～474份、氯化铋100份和柠檬酸铵100～500份；本发明还公开了上述材料的制备方法：按份数称取各组分；将称好的各组分溶解于去离子水中得到混合溶液，然后干燥得到前驱体粉末，将粉末平铺于瓷舟，至于管式炉中煅烧，将煅烧产物洗涤抽滤后烘干，得到三维超薄碳负载锑铋纳米材料。本发明三维超薄碳负载锑铋纳米材料，结构均一、形貌优良、性能优异，用于钠/钾离子电池负极具有较高的放电比容量与优异的循环性能。

技术研发人员：秦戬,李喜飞,林庆欣,李晓康,洪妍,金美晨,董锦娟
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15