磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料及其制备方法和在钠离子电池负极材料中的应用技术

本发明专利技术公开了一种磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料及其制备方法和在钠离子电池负极材料中的应用。该复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)将金属氧化物与有机聚合物溶液混合，得到有机聚合物包覆金属氧化物的复合物；(2)将步骤(1)中所得的有机聚合物包覆金属氧化物的复合物和次磷酸钠在惰性气体环境中碳化处理，得到磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料。本发明专利技术所得到的复合材料具有优异的电化学性能，在钠离子电池以及其他电极材料中具有广阔的应用前景。有广阔的应用前景。有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料及其制备方法和在钠离子电池负极材料中的应用


[0001]本专利技术涉及电极材料
，具体涉及一种磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料及其制备方法和在钠离子电池负极材料中的应用。

技术介绍

[0002]气候变化和化石资源的枯竭导致能源生产/消费结构由高碳向低碳、无碳转变的必然趋势，这就需要低成本、可持续的太阳能、风能等可再生能源储存/转换系统。在电化学储能技术中，锂离子电池(LIBs)以其具有竞争力的能量密度(150
‑
250Wh/kg)和循环寿命(一般为～1000循环)，作为消费电子产品和电动汽车的主要能源来源而备受关注。然而，新一代储能装置在各种应用中，特别是在电动汽车电源中，面临着比锂更大的功率密度和更高的能量密度、更低的成本和更丰富的资源、比目前的LIBs更长的寿命等更严格的要求。因此探寻一种可替代产品成为当前的研发重点。
[0003]钠离子与锂离子的物理化学性质相似，其中钠资源在地壳中的含量相对锂资源更加丰富，其中钠的价格远低于锂的价格，因此钠离子电池在可替代锂离子电池的研发中存在较大可能，逐渐成为广大科研工作人员的研究对象。钠离子电池的主要构成可分为正负极电池壳、正极材料、隔膜电解液、负极材料、垫片、弹片。在钠离子负极材料中，过渡金属氧化物电极材料有着优异的性能，其中以典型材料二氧化钼(MoO2)为例，其有着838mAh g
‑1的高理论容量，以及在充放电过程中有着高的稳定性，而且其电阻率在300K的条件下展现出约8.8
×/>10
‑5Ωcm
‑1低的电阻率值，从而其饱受科研工作者的关注。
[0004]然而在充放电过程中的钠离子嵌入与脱出过程会造成金属氧化物材料严重体积膨胀。目前主要改善电极材料体积膨胀和导电性的问题主要通过与碳材料相复合的方式。例如，Gao和Majid Beidaghi等人以MoO3纳米片为前驱体，通过与无定型碳的复合得到了MoO2纳米片/碳复合材料，表现出明显提升的储钠性能，在0.1C下经50次循环后其可逆容量相比未经碳包覆的MoO2纳米片要高出将近260mAh/g。但由于片层之间堆积紧密，不利于电解液的浸润和钠离子的扩散，其倍率性能仍不甚理想。因此，基于电极材料的合理结构设计，与高导电性碳复合，开发具有优异循环稳定性和倍率性能的金属氧化物类电极材料是推动它在钠离子电池中应用的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料及其制备方法和在钠离子电池负极材料中的应用，提升材料的电化学性能。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术采用的技术方案：
[0007]本专利技术公开了一种磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将金属氧化物与有机聚合物溶液混合，得到有机聚合物包覆金属氧化物的复
合物；
[0009](2)将步骤(1)中所得的有机聚合物包覆金属氧化物的复合物和次磷酸钠在惰性气体环境中碳化处理，得到磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料。
[0010]作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，金属氧化物为但不限于氧化铜、氧化锌、氧化钼和氧化钴中的一种或几种。
[0011]作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，有机聚合物为但不限于聚酰胺、聚吡咯、聚噻吩和聚多巴胺中的一种或几种。
[0012]作为优选的技术方案，所述步骤(1)中，金属氧化物与有机聚合物溶液混合时加热搅拌，加热温度为80
‑
200℃。
[0013]作为优选的技术方案，所述步骤(2)中，有机聚合物包覆金属氧化物的复合物与次磷酸钠之间的质量比为0.02
‑
0.1:1。
[0014]作为优选的技术方案，所述步骤(2)中，碳化处理时升温速率为1
‑
8℃/min，在600
‑
900℃下保持1
‑
3h。
[0015]本专利技术还公开了一种磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料，由所述的磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料的制备方法制备。
[0016]本专利技术还公开了一种磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料在钠离子电池负极材料中的应用。
[0017]本专利技术的有益效果：
[0018]本专利技术通过一步聚合包覆的方法，在金属氧化物外表包覆有机聚合物，再通过气相沉积法掺入磷元素，得到磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料，磷掺杂可以引入多功能基团，增加相邻碳原子的电子结构，加速电荷和离子扩散，并且所得到的复合材料具有较大的比表面积和丰富的孔结构，使得该复合材料具有优异的电化学性能，在钠离子电池以及其他电极材料中具有广阔的应用前景。
附图说明
[0019]图1为三氧化钼的扫描电子显微镜图；
[0020]图2为实施例1制备的磷掺杂导电碳包覆二氧化钼复合材料的Raman谱图；
[0021]图3为实施例1制备的磷掺杂导电碳包覆二氧化钼复合材料的扫描电子显微镜图；
[0022]图4为实施例1制备的磷掺杂导电碳包覆二氧化钼复合材料的XRD谱图；
[0023]图5为实施例1制备的磷掺杂导电碳包覆二氧化钼复合材料用作钠离子电池负极材料在电流为1A g
‑1下的循环谱图；
[0024]图6为对比例1制备的导电碳包覆二氧化钼复合材料用作钠离子电池负极材料在电流为1Ag
‑1下的循环谱图。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术作进一步阐述。
[0026]实施例1
[0027](1)将四水和钼酸铵在强烈搅拌下溶于水和硝酸的混合液，其中混合液中水和硝
酸的比例为0.2，且钼酸铵溶液的浓度控制在0.18mol/L。
[0028](2)将步骤(1)制得的混合液倒入反应釜聚四氟乙烯内胆中，并将其用不锈钢壳密封，进行高温水热反应，温度为200℃，反应24h，反应结束后冷却至室温，用去离子水洗涤，常温干燥，得到三氧化钼。图1为三氧化钼的扫描电子显微镜图，该材料为纳米带结构。
[0029](3)将步骤(2)制得的三氧化钼溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺配成40mmol/L溶液，再和聚酰胺混合，加热至150℃并搅拌，得到有机聚合物包覆三氧化钼的复合物。
[0030](4)将步骤(3)中所得的有机聚合物包覆三氧化钼的复合物和次磷酸钠以0.03:1的质量比混合，在氩气环境中碳化处理，升温速率为5℃/min，在800℃下保持2h，得到磷掺杂导电碳包覆二氧化钼复合材料。
[0031]图2为实施例1中所得的磷掺杂导电碳包覆二氧化钼复合材料的Raman谱图，由图2可知该复合材料的G峰明显高于D峰，表示其石墨化程度较高。
[0032]图3为实施例1中所得的磷掺杂导电碳包覆二氧化钼复合材料的扫描电子显微镜图，由图3可知，该复合材料具有着明显的核壳结构特征，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将金属氧化物与有机聚合物溶液混合，得到有机聚合物包覆金属氧化物的复合物；(2)将步骤(1)中所得的有机聚合物包覆金属氧化物的复合物和次磷酸钠在惰性气体环境中碳化处理，得到磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料。2.根据权利要求1所述的磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，金属氧化物为但不限于氧化铜、氧化锌、氧化钼和氧化钴中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，有机聚合物为但不限于聚酰胺、聚吡咯、聚噻吩和聚多巴胺中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的磷掺杂导电碳包覆金属氧化物复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，金属氧化物与有机聚合物溶液混合时...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长明，张恒，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：