一种锑/碳纤维复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种锑/碳纤维复合材料及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：1)将碳纤维浸渍于锑盐溶液中，干燥后得到锑盐/碳纤维前驱体；2)将锑盐/碳纤维前驱体与一电源连接以形成闭合回路，所述闭合回路中，电流为1‑8A，电压为35‑38V，通电0.1‑3s后断开回路，得到锑/碳纤维复合材料。该复合材料中，尺寸为20‑50nm的Sb纳米粒子均匀分散并结合在碳纤维载体表面，从而Sb纳米粒子与电解液有更充分的接触面积，同时碳纤维基底材料可为超细Sb纳米粒子提供导电网络状结构。该锑/碳纤维复合材料作为钾离子电池负极材料具有优异的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种锑/碳纤维复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及纳米材料与电化学
，尤其涉及一种锑/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
电极材料一直是电池的重点研究对象。与金属锂和钠类似，金属钾能与多种元素(如Si、Sn、Sb等)形成合金。例如，Si作为锂离子电池负极形成合金时，理论容量高达4200mAhg-1，Sn合金可达到990mAhg-1。最初，有关于钾离子电池的合金负极研究较少，至2015年Wu等人合成Sb-C纳米复合材料应用在钾离子电池中形成了K3Sb合金，其提供了650mAhg-1的可逆容量。虽然这类负极材料的理论比容量普遍比较高，但在K+嵌入之后会发生较大的体积变化。合金化反应的体积膨胀问题较严重，材料的粉化依然是造成合金负极难以满足人们需求的关键因素。针对以上问题可采取的措施有：(1)设计合成具有新颖微观形貌、结构和多孔特性的纳米材料。纳米材料具有表面活性位点多、比表面积大和反应活性高等特点，所以纳米结构的构筑也被视为高安全性、高能量密度和长循环寿命钾离子电池电极材料的有效手段。此外，纳米结构的负极材料可以缓解体积膨胀效应对电极结构的影响，抑制电极发生坍塌和粉粹，从而显著提高电化学反应的活性，以改善电极材料的储钾特性。(2)引入碳基材料。将化合物材料与高导电性的碳材料复合，导电性良好的碳材料可以起双重作用，不仅可以作为导电剂提高整个复合物的导电性，加快离子和电子的传输速率，同时也可以作为缓冲层或支撑基体使化合物材料的结构维持稳定，并实现电化学性能的提升。目前常见的合成纳米材料的方法有水热法、溶剂热法、球磨法和高温烧结等，这些方法可以很好的控制纳米材料的尺寸、相和结构，还可以制备出分布在衬底上的纳米粒子。尽管这些方法在制备纳米材料方面已取得了一定的成功，但在溶剂热法中，环境不友好的溶剂和分散剂，以及在高温路线中的连续热力学气氛可能对制造高性能的高能纳米颗粒具有负面影响，设计和制备良好的支撑纳米材料的分散性仍然面临着巨大的挑战；利用球磨法合成纳米粒子虽较均匀，但所需时间较长；高温烧结法其升温、降温速率较慢(最多可达40℃/min)。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单高效的锑/碳纤维复合材料的制备方法，以及所制备的锑/碳纤维复合材料作为钾离子电池负极材料的应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种锑/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将碳纤维浸渍于锑盐溶液中，使锑盐附着于碳纤维上，再取出干燥以去除碳纤维上的溶剂，得到锑盐/碳纤维前驱体；2)将锑盐/碳纤维前驱体与一电源连接以形成闭合回路，所述闭合回路中，电流为1-8A，电压为35-38V，通电0.1-3s后断开回路，得到锑/碳纤维复合材料。本专利技术利用焦耳加热原理，接通电源，当电流通过附有锑盐的碳纤维时，材料中的电阻损耗会使电能转化为热能，由于热冲击产生的超高温高于金属盐的分解温度(1000K以上)，金属盐前驱体首先被分解，然后几毫秒内冷却凝固成与碳纤维具有很强的界面结合强度的Sb纳米粒子，从而成功地将纳米级的超细粒子牢固地固定在碳纤维表面。并且，整个高温超导过程在毫秒级的时间内持续，超快升温/冷却速率可阻止纳米粒子的迁移和团聚，从而得到碳载体上均匀分散的Sb纳米粒子，进而与电解液有更充分的接触面积，同时碳纤维基底材料可为超细Sb纳米粒子提供导电网络状结构。上述的锑/碳纤维复合材料的制备方法，优选的，所述步骤1)之前，还包括：将碳纤维进行碳化预处理。上述的锑/碳纤维复合材料的制备方法，优选的，碳化预处理的具体过程为：将碳纤维以在惰性气氛、750℃～850℃温度下保温1-3h。预处理的目的是除去碳纤维中的挥发性物质以及增加其强度。上述的锑/碳纤维复合材料的制备方法，优选的，锑盐需能溶于水或醇。更优选的，所述锑盐为SbCl3、SbBr3、Sb(CH3COO)3中的一种或多种。上述的锑/碳纤维复合材料的制备方法，优选的，所述锑盐溶液的浓度为0.03-0.07M，所述碳纤维的浸渍时间为10-14h。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的制备方法所制得的锑/碳纤维复合材料，包括碳纤维和均匀分散并固定在碳纤维表面的锑超细纳米粒子，锑超细纳米粒子在所述锑超细纳米粒子的尺寸为20-50nm。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的锑/碳纤维复合材料作为钾离子电池负极材料的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的锑/碳纤维复合材料的制备方法简单、快速、高效，整个合成过程时间非常短。2、本专利技术所制备的纳米复合材料具有很强的界面结合强度，是各种能量转换装置的重要组成部分。3、本专利技术中超快升温/冷却速率可阻止Sb纳米粒子的迁移和团聚。4、本专利技术可控制和减少纳米材料的尺寸，从而提高纳米粒子的活性和增加总的纳米粒子的比表面积。5、本专利技术所制备的锑/碳纤维复合材料作为钾离子电池负极材料具有优异的循环稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例制备的锑/碳纤维复合材料(Sb-CNFs)的SEM图，其中，a图为标尺5微米的锑/碳纤维复合材料SEM图，b图为a图的放大图，b图为标尺1微米的锑/碳纤维复合材料SEM图。图2为本专利技术实施例制备的锑/碳纤维复合材料(Sb-CNFs)的EDX-mapping图(其中，a图为锑/碳纤维复合材料SEM图，b图为a图中锑/碳纤维复合材料的碳元素分布情况，c图为a图中锑/碳纤维复合材料的锑元素分布情况)。图3为本专利技术实施例制备的锑/碳纤维复合材料(Sb-CNFs)作为负极材料组装成钾离子电池后的循环曲线图。具体实施方式以下结合具体优选的实施例对本专利技术作进一步描述，但并不因此而限制本专利技术的保护范围。实施例1：本实施例的锑/碳纤维复合材料(Sb-CNFs)的制备方法如下：先将碳纤维(CNFs)进行碳化处理，即：在惰性气体氛围中800℃保温处理2h。同时称取一定量的SbCl3盐，将其加入到无水乙醇中搅拌至完全溶解，以配制0.05M浓度的SbCl3盐溶液。将碳化处理后的CNFs浸泡在SbCl3盐溶液中12h，随后取出将其放入60℃烘箱中干燥8h得到SbCl3-CNFs复合材料。将SbCl3-CNFs复合材料的两端用银胶固定在导电铜箔上制作成导电装置器件，然后在惰性气体的手套箱里将导电铜箔与直流电源连接以形成闭合回路，直流电流的范围为6A，电压的范围为37V，通电时间1s，整个高温超导过程在毫秒级的时间内持续，由于热冲击产生的超高温(1000K以上)，金属盐前驱体首先被分解，形成金属熔融态。断开回路后，金属熔融态在几毫秒内冷却凝固成纳米粒子，从而碳载体上的纳米粒子均匀分散。有图1可知，本专利技术利用焦耳加热原理高HTS技术在碳纤维(CNFs)基底上快速合成了均匀分布的Sb超细纳米粒子，Sb超细纳米粒子尺寸范围为20-50nm。参见图2，从2b、2c图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锑/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)将碳纤维浸渍于锑盐溶液中，使锑盐附着于碳纤维上，再取出干燥以去除碳纤维上的溶剂，得到锑盐/碳纤维前驱体；/n2)将锑盐/碳纤维前驱体与一电源连接以形成闭合回路，所述闭合回路中，电流为1-8A，电压为35-38V，通电0.1-3s后断开回路，得到锑/碳纤维复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种锑/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将碳纤维浸渍于锑盐溶液中，使锑盐附着于碳纤维上，再取出干燥以去除碳纤维上的溶剂，得到锑盐/碳纤维前驱体；
2)将锑盐/碳纤维前驱体与一电源连接以形成闭合回路，所述闭合回路中，电流为1-8A，电压为35-38V，通电0.1-3s后断开回路，得到锑/碳纤维复合材料。


2.根据权利要求1所述的锑/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)之前，还包括：将碳纤维进行碳化预处理。


3.根据权利要求2所述的锑/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，碳化预处理的具体过程为：将碳纤维以在惰性气氛、750℃～850℃温...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔立峰，许洁，陈亚楠，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44