一种SbZn合金包裹在3D多孔碳中的钠离子电池电极制备方法技术

本发明专利技术属于有机系钠离子电池技术领域，具体涉及一种SbZn合金包裹在3D多孔碳中的钠离子电池电极制备方法，1)配置溶液：将SbCl3，ZnCl2，KCl和柠檬酸均匀地溶解在去离子水中，搅拌均匀；2)对配置好的溶液进行冷冻干燥，形成细腻的白色粉末且去除水分之后保留KCl的立方结构；3)在Ar/H2气氛下进行热处理退火，形成柠檬酸碳化，并SbCl3，ZnCl2被还原成SbZn合金；4)对获得的样品进行抽滤洗涤后，洗去KCl模板，碳保留了原来KCl的立方结构，得到SbZn合金颗粒均匀包裹在3D多孔碳中。该方法能有效地抑制了合金颗粒的团聚和长大，并缓解了体积膨胀带来的结构失效，使电极的稳定性得到了很大提升。升。升。

【技术实现步骤摘要】
一种SbZn合金包裹在3D多孔碳中的钠离子电池电极制备方法


[0001]本专利技术属于有机系钠离子电池
，具体涉及一种SbZn合金包裹在3D多孔碳电极的制备及在有机系钠离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]现在常用的储能电池是锂离子电池，但由于锂资源的匮乏(在地壳中含量约为0.0065％)，而钠离子电池由于价格低廉、储量丰富且具有可与锂离子电池比拟的电化学性能，所以钠离子电池有望代替锂离子电池，被广泛应用在储能电站和智能电网中。但由于钠的半径大(0.102nm for Na
+
)、动力学缓慢、摩尔质量大，导致SIBs可逆容量低，循环稳定性和倍率性能差等问题。因此开发适用于Na
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可逆插入/抽出的电极材料，并能在循环过程中能保持良好的结构稳定性，是一个巨大挑战。
[0003]传统的碳基材料在近几年得到了深入的发展，碳基材料主要通过扩大层间距，增加杂原子等手段使性能得到了提升。但其容量仍较低并不能满足SIBs的高能量密度的要求。而合金型金属(Sn，Sb，Bi,P,etc.)具有较高的容量，且其中锑理论重量容量为660mAh g
‑1，而且基于多电子反应和相对安全电压，能有效抑制连续的固体电解质界面膜，是一种理想的K
+
/Na
+
储存材料。但由于循环过程中会发生很大的体积膨胀，使得其循环稳定性较差。
[0004]为了解决这些问题，使用了很多方法，比如将Sb与惰性/活性金属(Co、Se、Al、Zn、Ni和Cu)合金化形成纳米颗粒，可以大大减轻Sb的体积膨胀并延长循环寿命，并且一些惰性金属也会对碳的石墨化有催化作用，让碳进一步实现更高的容量，从而提高电极的容量和循环稳定性。将合金材料降低到纳米尺寸后大大缩短了离子扩散路径，这就提高了动态传输速率，保证结构不被破坏。而纳米合金颗粒更易团聚，所以可以将合金颗粒包覆在碳基体中。它不仅可以分散金属/合金，还可以进一步适应体积变化并增加电子电导率。相比于2D碳基体，3D碳基体具有比表面积大，电子传导性好，且有利于电解液的渗透。这种合金与3D碳基体结合的方法很有效地抑制了合金颗粒的团聚和长大，也缓解了体积膨胀带来的结构失效，这样就使电极的稳定性得到了很大提升。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是通过模板辅助冷冻干燥技术和煅烧处理，构建了蜂窝状三维多孔碳SbZn合金作为SIBs的阳极。提供一种SbZn合金包裹在3D多孔碳中的钠离子电池电极制备方法，能有效地抑制了合金颗粒的团聚和长大，并缓解了体积膨胀带来的结构失效，使电极的稳定性得到了很大提升。
[0006]本专利技术中的SbZn@3DPCs电极的制备方法具体步骤如下：
[0007]1)配置溶液：将0.02
‑
0.1mMSbCl3，0.02
‑
0.1mMZnCl2，3
‑
5mMKCl和0.1
‑
0.3mM柠檬酸均匀地溶解在去离子水中，搅拌1
‑
4h；
[0008]2)对配置好的溶液进行冷冻干燥12
‑
24h，形成细腻的白色粉末且去除水分之后保留KCl的立方结构；
[0009]3)在Ar/H2气氛下进行热处理，600℃下退火2h，形成柠檬酸碳化，并SbCl3，ZnCl2被还原成SbZn合金；
[0010]4)对步骤3)获得的样品进行抽滤洗涤后，洗去KCl模板，碳保留了原来KCl的立方结构，得到SbZn合金颗粒均匀包裹在3D多孔碳中。
[0011]进一步地，步骤3)中，在高温退火过程中被3D多孔碳包裹住，且经过退火还原的SbZn合金颗粒尺寸在5
‑
10nm之间。
[0012]进一步地，步骤1)中，配置所述溶液时加入具有立方晶体结构的物质:NaCl或KCl，其作用是形成三维多孔的结构。
[0013]进一步地，步骤1)中，将溶液搅拌均匀，其作用是在之后形成前驱体时，使得SbZn合金和C分布均匀。
[0014]进一步地，步骤2)中，溶液进行冷冻干燥时，要先将其冷冻2h后，再进行干燥，以获得均匀的白色粉末。
[0015]进一步地，步骤3)中，退火时，退火温度高于SbZn合金的熔点温度并且保持2h，使SbCl3和ZnCl2两种元素分布均匀，充分保证柠檬酸碳化形成不定形碳。
[0016]进一步地，所述的一种SbZn合金包裹在3D多孔碳中的钠离子电池电极制备方法，其特征在于，
[0017]1)称取0.4563gSbCl3、0.2725gZnCl2、17.3gKCl和1.86g柠檬酸，均匀溶解在50mL的超纯水中，搅拌2h；
[0018]2)将上述溶液放入冷冻干燥机中，冷冻干燥24h，得到细腻的白色粉末；
[0019]3)将白色粉末在Ar/H2气氛600℃下热处理2h；
[0020]4)对上述得到的粉末进行抽滤，洗去KCl模板，得到SbZn@3DPCs样品。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]该材料制备方法简单，同时为有机系钠离子电池提供了一种新型负极材料的思路。其中电极中Zn的加入，不仅抑制了Sb的体积膨胀，而且其催化了碳的石墨化，使得电极不论是在容量还是稳定性上都有明显的提升，而3D多孔碳不仅抑制了纳米合金循环过程中发生的体积膨胀，也抑制了纳米合金的团聚。且经过计算在小电流0.1Ag
‑1下，除去C的容量贡献外，Sb可贡献618mAh g
‑1的容量，可以达到理论容量的93％。因此，SbZn@3DPCs电极具有高的倍率性能和循环稳定性。
附图说明
[0023]图1、SbZn@3DPCs电极的扫描电镜图片；
[0024]图2、SbZn@3DPCs电极的场发射电镜(FESEM)图片；
[0025]图3、SbZn@3DPCs电极的HR
‑
TEM图片；
[0026]图4、SbZn@3DPCs电极的XRD图谱；
[0027]图5、SbZn@3DPCs、Zn@3DPCs、Sb@3DPCs和3DPCs电极的拉曼图谱；
[0028]图6、SbZn@3DPCs电极的热重图谱；
[0029]图7、Zn@3DPCs电极的热重图谱；
[0030]图8、SbZn@3DPCs电极合成示意图；
[0031]图9、SbZn@3DPCs电极在0.1A g
‑1电流密度下的恒电流充放电曲线；
[0032]图10、SbZn@3DPCs电极在0.1A g
‑1电流密度下的循环曲线；
[0033]图11、SbZn@3DPCs电极在0.1mV s
‑1下循环伏安法(CV)测试；
[0034]图12、SbZn@3DPCs电极进行电化学阻抗(EIS)在频率范围100kHz到10mHz；
[0035]图13、SbZn@3DPCs电极在5A g
‑1的电流密度下进行了循环测试图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SbZn合金包裹在3D多孔碳中的钠离子电池电极制备方法，其特征在于，包括步骤如下：1)配置溶液：将0.02
‑
1mMSbCl3，0.02
‑
1mM ZnCl2，3
‑
5mMKCl和0.1
‑
0.3mM柠檬酸均匀地溶解在去离子水中，搅拌1
‑
4h；2)对配置好的溶液进行冷冻干燥12
‑
24h，形成细腻的白色粉末且去除水分之后保留KCl的立方结构；3)在Ar/H2气氛下进行热处理，600℃下退火2h，形成柠檬酸碳化，并SbCl3，ZnCl2被还原成SbZn合金；4)对步骤3)获得的样品进行抽滤洗涤后，洗去KCl模板，碳保留了原来KCl的立方结构，得到SbZn合金颗粒均匀包裹在3D多孔碳中。2.根据权利要求1所述的一种SbZn合金包裹在3D多孔碳中的钠离子电池电极制备方法，其特征在于，步骤3)中，在高温退火过程中被3D多孔碳包裹住，且经过退火还原的SbZn合金颗粒尺寸在5
‑
10nm之间。3.根据权利要求1所述的一种SbZn合金包裹在3D多孔碳中的钠离子电池电极制备方法，其特征在于，步骤1)中，配置所述溶液时加入具有立方...

【专利技术属性】
技术研发人员：文子，李宇琪，郎兴友，赵明，李建忱，蒋青，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：