一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料及其制备方法

本发明涉及一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料及其制备方法，属于新材料。

背景技术：

1、现代社会的快速发展增加了对能源的需求，太阳能、风能等可再生能源受到了巨大的关注。储能技术可以将这些可再生能源整合到电网中，开发可扩展的储能系统对于减少对化石能源的依赖具有重要的现实意义。电化学二次电池具有较高的能量转换效率，是一种很有前景的储能技术。锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长而广泛应用于电动汽车和便携式电子设备中。元素周期表中，钠元素和锂元素位于同一主族，具有相似的物理/化学性能。钠离子电池和锂离子电池除了电荷转移方式不同外，具有相同的电池组件和相似的储能机制。与锂相比，钠的资源分布更为广泛和丰富，且钠离子电池具有更好的高低温电化学性能和更好的安全性，在固定和大规模储能系统中具有很大的应用潜力。基于较大的na+半径导致的能量密度低以及循环性能差的问题，主要的挑战在于开发具有长循环寿命和具有快速动力学的高能量密度负极材料。14或15族元素中的金属(sn，bi…)、类金属(si，ge，as，sb…)和多原子非金属化合物可以在相对较低的工作电压下存储大量的na+离子，是潜在的负极材料。其中，sb-m二元金属间化合物是最近报道的高性能负极材料。根据与na的(去)合金化反应，m可分为电化学惰性元素(ni、cu、fe、zn、co…)和电化学活性元素(sn、sb、bi…)。在电化学反应过程中，活性元素可以在另一方脱合金化时充当缓冲物，在维持电极材料稳定性的同时提高容量；惰性元素则始终充当缓冲基质缓解体积变化。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料的制备方法。复合材料中sbm纳米颗粒均匀分散于氮掺杂的纳米纤维导电碳网络中，cnf作为缓冲基底缓解体积膨胀同时提供电子和离子的运输通道，以此提高电极的导电性，m作为缓冲物进一步缓解充放电过程中的体积变化。用作钠离子电池负极材料时，sbm/cnf复合材料展现出优异的储锂性能。

2、为解决现有问题，本发明采取的技术方案为：

3、一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料，先由醋酸锑、金属硝酸盐、聚乙烯比咯烷酮溶于n,n-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液制备得到溶液a；再将溶液a通过静电纺丝技术制备得到sbm/cnf前驱体；最后将sbm/cnf前驱体进行预氧化后碳化处理得到sbm/cnf复合材料。

4、上述一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)sbm/cnf前驱体的制备：取聚乙烯比咯烷酮，加入到n,n-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液，加热搅拌至完全溶解，标记为溶剂a；取醋酸锑和金属硝酸盐加入溶剂a，醋酸锑和金属硝酸盐的物质量的比为2:3，搅拌12h得到均匀分散的紫色透明静电纺丝溶液；处理后在收集器上收集纤维后在真空干燥箱中60℃干燥12h制备sbm/cnf前驱体，其中，聚乙烯吡咯烷酮的质量与硝酸锑和金属硝酸盐的总质量的比为1：1；

6、(2)sbm/cnf复合材料的制备：将sbm/cnf前驱体在管式炉中进行预氧化后，在氩气气氛下碳化得到sbm/cnf复合材料。

7、作为改进的是，步骤(1)所述n,n-二甲基甲酰胺与乙醇的体积比为3ml：10ml。

8、作为改进的是，步骤(1)所述金属硝酸盐为六水合过渡金属硝酸盐。

9、作为改进的是，步骤(1)所述加热搅拌温度为60℃，搅拌时间为10h。

10、作为改进的是，步骤(1)所述静电纺丝溶液流速为0.4ml h-1，收集器为铝箔，接受距离为15cm，在电纺针和收集器之间施加16kv电压。

11、作为改进的是，步骤(2)所述预氧化以5℃min-1的升温速率升温至250℃保温2h。

12、作为改进的是，步骤(2)所述碳化在氩气气氛以2℃ min-1的升温速率升温至600℃碳化2h。

13、设计原理

14、sbm纳米颗粒均匀分散于氮掺杂的纳米纤维导电碳网络中，碳纳米纤维作为缓冲基底缓解体积膨胀的同时，也为电子和离子的提供运输通道，从而提高电极材料的导电性，而钴作为缓冲物进一步缓解充放电过程中的体积变化。因此，用作钠离子电池负极材料表现出优异的储锂性能。优异的电化学性能归因于导电碳纤维和sbm纳米颗粒的协同作用，在提供良好电性的同时，又能够增强结构以减小体积变化，使得电极材料具有更高的容量和更好的稳定性。

15、有益效果

16、与现有技术相比，本发明通过静电纺丝和高温还原的方法将锑与非活性元素结合，成功把sb基金属间化合物纳米颗粒分散于氮掺杂碳纤维中，制备出了一系列锑基金属间化合物/碳纤维复合材料(sbm/cnf，m＝co、zn、ni…)。该结构具有优异的缓解充放电过程中体积膨胀、提供电子离子运输通道提高导电性的能力，并表现出较高的初始比容量和优异的循环稳定性。结果表明，sbco/cnf作为钠离子电池负极材料时展现出良好的储钠性能。在0.1a g-1的电流密度下初始放电比容量为604ma h g-1且经过150次循环后仍具有483.5ma h g-1的比容量。在电流密度为1a g-1时经过150次循环后比容量仍能保持在344.5ma h g-1。

技术特征：

1.一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料，其特征在于，先由醋酸锑、金属硝酸盐、聚乙烯比咯烷酮溶于n,n-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液制备得到溶液a；再将溶液a通过静电纺丝技术制备得到sbm/cnf前驱体；最后将sbm/cnf前驱体进行预氧化后碳化处理得到sbm/cnf复合材料。

2.基于权利要求1所述的一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述n,n-二甲基甲酰胺与乙醇的体积比为3ml：10ml。

4.根据权利要求2所述的一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述金属硝酸盐为六水合过渡金属硝酸盐。

5.根据权利要求2所述的一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述加热搅拌温度为60℃，搅拌时间为10h。

6.根据权利要求2所述的一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述静电纺丝溶液流速为0.4ml h-1，收集器为铝箔，接受距离为15cm，在电纺针和收集器之间施加16kv电压。

7.根据权利要求2所述的一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述预氧化以5℃ min-1的升温速率升温至250℃保温2h。

8.根据权利要求2所述的一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述碳化在氩气气氛以2℃ min-1的升温速率升温至600℃碳化2h。

技术总结
本发明公开了一种锑基金属间化合物/碳纤维复合材料及其制备方法。所述的锑基金属间化合物/碳纤维复合材料通过静电纺丝和高温还原的方法将锑与非活性元素结合，成功把Sb基合金纳米颗粒分散于氮掺杂碳纤维中，制备出了一系列锑基金属间化合物/碳纳米纤维材料(SbM/CNFs，M＝Co、Zn、Ni)。结果表明，SbM/CNF作为钠离子电池负极材料时展现出优异的储钠性能。优异的储钠性能归因于导电碳纤维和SbM纳米颗粒的协同作用，在提供良好电性的同时，又能够增强结构以减小体积变化，使得电极材料具有优异的比容量和循环稳定性。该制备方法绿色环保，工艺操作简单，产物可规模制备，利于工业化生产。

技术研发人员：张俊豪,王喆,薛凯,郭兴梅,郑祥俊,刘元君
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1