一种花状硒化锌-锰/炭复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种花状硒化锌

【技术实现步骤摘要】
一种花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于新材料
，尤其涉及一种花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]钠离子电池具有成本低廉，原料丰度高等优势。但目前钠离子电池负极材料质量比容量较低，且大电流充放电过程中容易产生枝晶钠而引发安全问题，严重制约了其大规模商业化应用，因此急需研发性能好、质量比容量高的钠离子电池负极材料。锌的硒化物可以同时发生转化反应和合金化反应，因此较其他硒化物具有较好的理论容量优势，且硒化锌的放电平台较低，环境友好成本低廉，一直被认为是钠离子电池负极的潜在候选者之一。但是硒化锌与其他金属化合物一样属于半导体，导致硒化锌的导电性和钠离子扩散效率较差，严重限制了其储钠过程中的比容量。此外，单纯的硒化锌电极在充放电过程中往往会出现极大的体积膨胀，导致无法形成稳定的固体界面质膜，最终使电极材料持续粉化、容量快速降低。这些问题直接限制着硒化锌基钠离子负极材料的商业化应用。因此，针对以上不足对进行硒化锌材料的改造与修饰以提升材料的整体电化学性能，对硒化锌基材料乃至钠离子电池负极材料的研发与设计均具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料及其制备方法和应用。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0005]一种花状硒化锌<br/>‑
锰/炭复合材料，所述花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料包括由2D多孔炭纳米片组装而成的花状结构，所述2D多孔炭纳米片上负载有硒化锌
‑
锰颗粒，硒化锌
‑
锰的化学通式为Zn
(1
‑
x)
Mn
x
Se，其中，0.2≤x≤0.4。
[0006]优选的，所述花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料的碳含量为40
‑
50％。将碳含量控制在此范围内，不影响炭材料在循环过程中的体积膨胀缓冲作用，也可以兼顾较高的比容量。
[0007]作为一个总的专利技术构思，本专利技术提供了一种上述花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将硝酸锌、硝酸锰、聚乙烯吡咯烷酮和均苯三甲酸溶于溶剂中，得混合液；
[0009](2)将所述混合液进行溶剂热反应，反应结束后自然冷却至室温，将所得物料进行离心洗涤、烘干，得花状前驱体；
[0010](3)将所述花状前驱体与硒粉分别放置于两个反应瓷舟中，并置于管式炉中，在氩气气氛下煅烧，冷却后碾磨过筛即得所述花状硒化锌
‑
锰/炭复合储能材料。
[0011]在本专利技术通过上述方法制备花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料时，当将硝酸锌、硝酸锰替换为其它锌盐和锰盐时，难以制备得到花状前驱体，且若单独使用硝酸锌时，所制备的储能材料为棒状结构；若单独使用硝酸锰时，所制备的储能材料为球状结构；进而无法制备得
到花状硒化锌
‑
锰/炭复合储能材料。上述花状前驱体由厚度小于100nm的2D片状结构组成，该结构可以提高后续所得储能材料与电解液的接触面积，为充放电过程中的体积膨胀提供缓冲空间。
[0012]优选的，步骤(1)中，所述混合液中，所述硝酸锌、硝酸锰的摩尔比为1:(0.2
‑
0.8)，所述硝酸锌、硝酸锰的总摩尔量与均苯三甲酸的摩尔比为(1
‑
1.8):(2
‑
2.5)。本专利技术通过合理控制硝酸锌、硝酸锰的总摩尔量与均苯三甲酸的摩尔比等参数，可使制备得到的花状前驱体结构更好。
[0013]优选的，步骤(1)中，所述硝酸锌、硝酸锰的总摩尔量与聚乙烯吡咯烷酮的摩尔/质量比为(1
‑
1.8)mmol:(2.5
‑
3.5)g。本专利技术中，聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量可为30k。
[0014]优选的，步骤(1)中，所述溶剂由N,N
‑
二甲基甲酰胺和乙醇混合组成，所述N,N
‑
二甲基甲酰胺和乙醇的体积比为1:(0.5
‑
2)。进一步优选的，所述N,N
‑
二甲基甲酰胺和乙醇的体积比为1:1。本专利技术中，所采用的溶剂中若加入其它溶剂，例如水等，将难以得到花状前驱体。
[0015]优选的，步骤(1)中，所述混合液中，硝酸锌的浓度为2
‑
15mmol/L。
[0016]优选的，步骤(2)中，所述溶剂热反应的温度为120
‑
200℃，反应时间为4
‑
8h。
[0017]优选的，步骤(3)中，所述花状前驱体与硒粉的质量比为1:(1
‑
3)；所述煅烧温度为400
‑
750℃，升温速率为2
‑
5℃/min，锻烧时间为45
‑
180min。适宜的花状前驱体与硒粉的质量比结合上述煅烧工艺，可使所得产品完好的保持独特的花状结构。
[0018]作为一个总的专利技术构思，本专利技术提供了一种上述花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料或通过上述制备方法制备得到的在花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料在钠离子电池负极材料中的应用。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0020](1)本专利技术制备得到的花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料，完好的保持了独特的花状结构，同时生成硒化锌
‑
锰晶体并锚定在2D多孔炭纳米片上，2D结构具有良好的结构稳定性和柔韧性，且相互之间连接为材料提供了良好的导电网络；大量空腔结构也为材料的体积膨胀提供了缓冲空间。多孔结构可以使电极材料与电解液充分浸润，减少离子的迁移距离从而提高材料整体的离子迁移效率。此外，锌、锰和炭材料之间发挥协同作用，降低材料的电阻的同时产生强烈的赝电容效应。从而提高材料的比容量和电化学稳定性。
[0021](2)本专利技术制备的储钠材料生产成本较低且其容量和倍率性能远高于一元金属硒化物，在钠离子电池负极材料方面具有很好的应用前景。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为实施例1制备得到的花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料的X射线衍射图；
[0024]图2为实施例1制备得到的花状前驱体的扫描电子显微镜照片图；
[0025]图3为实施例1制备得到的花状硒化锌
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料，其特征在于，所述花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料包括由2D多孔炭纳米片组装而成的花状结构，所述2D多孔炭纳米片上负载有硒化锌
‑
锰颗粒，硒化锌
‑
锰的化学通式为Zn
(1
‑
x)
Mn
x
Se，其中，0.2≤x≤0.4。2.根据权利要求1所述的花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料，其特征在于，所述花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料的碳含量为40
‑
50％。3.一种如权利要求1或2所述的花状硒化锌
‑
锰/炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将硝酸锌、硝酸锰、聚乙烯吡咯烷酮和均苯三甲酸溶于溶剂中，得混合液；(2)将所述混合液进行溶剂热反应，反应结束后自然冷却至室温，将所得物料进行离心洗涤、烘干，得花状前驱体；(3)将所述花状前驱体与硒粉分别放置于两个反应瓷舟中，并置于管式炉中，在氩气气氛下煅烧，冷却后碾磨过筛即得所述花状硒化锌
‑
锰/炭复合储能材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合液中，所述硝酸锌、硝酸锰的摩尔比为1:(0.2
‑
0.8)，所述硝酸锌、硝酸锰的总摩尔量与均苯三甲酸的摩尔比为(1
‑
1.8):(2
‑
2.5)。5.根据权利要求3所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明瑜，周鹏，苏哲安，黄启忠，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：