一种碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn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碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料的制备方法，通过表面浸渍法和氧化还原法将高熵合前驱体NiCuZnCdIn复合到碳基材料中，形成具有高熵合金NiCuZnCdIn/C复合材料的锂金属电池电极材料；这种制备工艺简单、成本低的NiCuZnCdIn/C复合材料通过引入高熵亲锂位点以调节锂沉积并降低成核势垒，引导金属锂进行均匀成核和沉积，有利于抑制锂枝晶的生长；初始的均匀沉积有利于后续循环过程中锂沉积/剥离过程，从而形成稳定的界面和无枝晶结构，能够提升电池的电化学性能；该材料应用于锂电池负极材料中具有稳定的过电位，表现出优异的电化学性能。出优异的电化学性能。出优异的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于功能材料
，涉及电极材料及其制备方法，具体涉及一种碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着电动汽车、便携式设备、各种柔性可穿戴设备的急速发展，对质量更轻、体积更小、输出电压和能量密度更高的电池能源的需求不断扩大，锂金属作为负极材料具有极高的理论比容量、最低电化学电位以及较低的密度从而引起了人们的广泛关注。然而，不可控的锂枝晶生长和无限的体积膨胀带来的安全隐患和较差的循环稳定性，严重阻碍了锂金属负极的实际应用。不均匀的锂沉积/剥离容易产生枝晶，从而可能穿透隔膜，触发电池内部短路。其次，锂金属巨大的体积变化会导致形成的固体电解质中间相(SEI)不断被破坏，导致电解液不断消耗、锂损失。因此，为了解决这些问题，实现高能量密度和安全运行的锂金属电池(LMB)的商业化，必须致力于缓解甚至根除锂枝晶生长问题。在这方面，三维碳基网络广泛研究，以缓解应力波动，减少局部电流密度，如氧化石墨烯、石墨碳泡沫、球形碳颗粒和多孔碳纳米纤维等。然而，目前传统的碳基骨架由于不亲锂特性，表现出较高的锂成核势垒和较差的反应动力学。引入亲锂位点以调节锂沉积并降低成核势垒，有利于抑制锂枝晶的生长。其中金、银、铟等金属能有效地引导锂成核和均匀生长。一些Au(Ag)/C复合材料被设计为锂金属阳极的宿主，明显提高了循环稳定性和库仑效率，然而，这些金属基的主体过于复杂和昂贵，无法进行扩展以及大规模生产应用。
[0003]另外，传统的炉膛加热只能达到炉温这对于有效金属材料的合金化来说太低，而且加热/冷却速率不足，只有几十到几百K/min；同时，很难保证从炉表面到炉中心的温度均匀性，这可能导致纳米粒子具有可能的元素或相分离。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料及其制备方法和应用，引入亲锂位点，形成稳定的界面和无枝晶结构，实现高熵金属颗粒均匀的、分散的支撑在碳基材料上，制备出具有优异的电化学性能的碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]一种碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、按摩尔比1:1:1:1:1称取镍源、锌源、铜源、铟源和镉源溶于5～20mL无水乙醇中，搅拌均匀后得到镍、锌、铜、铟和镉金属离子总浓度为0.005～0.2mol/L的NiCuZnCdIn溶液；
[0008]步骤二、将碳纸在等离子体清洗机中处理后置于步骤一中的溶液中充分浸渍，随后在烘箱中干燥，重复浸渍和烘干1～5次，得到NiCuZnCdIn/C前驱体；
[0009]步骤三、将步骤二制备的前驱体放入氧化铝坩埚中，将管式气氛炉的设定温度为
900～1200℃，通入氩氢混合气，将管式气氛炉升至设定温度后在1～2s内将前驱体推进炉腔内部，使前驱体达到900～1200℃，退火1～3h后，将材料在1～2s内拉出炉腔并使其达到室温，以得到高熵合金NiCuZnCdIn/C复合材料。
[0010]本专利技术还具有以下技术特征：
[0011]优选的，步骤一中所述的镍源、锌源、铜源、铟源、镉源分别为其硫酸盐、氯化物和硝酸盐中的任一种。
[0012]优选的，步骤一中所述的搅拌为采用磁力搅拌器搅拌1～10h。
[0013]优选的，步骤二中碳纸在等离子体清洗机中的处理时间为5～15min。
[0014]优选的，步骤二中碳纸每次的浸渍时间为5～15min。
[0015]优选的，步骤二中所述的烘干为在真空干燥箱中50～100℃烘干10～24h。
[0016]优选的，步骤三中所述的氩氢混合气中氢气的体积百分比为10％。
[0017]本专利技术还保护一种如上所述的方法制备的碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料及其在锂离子电池负极中的应用。
[0018]本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0019]本专利技术通过表面浸泡法得到高熵前驱体，通过推拉式的氧化还原法，经快速推送达到高温煅烧，实现一种创新的超快、高温工艺可以产生均匀的、分散的高熵金属颗粒支撑在碳基材料上，这种制备工艺简单、成本低的NiCuZnCdIn/C复合材料通过引入高熵亲锂位点以调节锂沉积并降低成核势垒，引导金属锂进行均匀成核和沉积，有利于抑制锂枝晶的生长；
[0020]将其应用于Li@NiCuZnCdIn/C复合材料作为对称电池的电极时即使在60mA/cm
‑2的高电流密度下，电池的过电位也很小，在这种大电流密度下长时间的充放电循环过程中具备更优异的电化学性能；同时，将其与磷酸铁锂正极匹配为全电池时，在0.1C的电流密度下，70次循环后提供了149mAh g
‑1的平均比容量和>99.89％的高库伦效率。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1制备的碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料的XRD图；
[0022]图2为本专利技术实施例1制备的碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料的SEM图；
[0023]图3为本专利技术实施例1制备的碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料的EDS图；
[0024]图4为本专利技术实施例1制备的碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料的对称电池在1mA
·
cm
‑2,1mAh
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cm
‑2的循环性能图；
[0025]图5为本专利技术实施例1制备的碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料对称电池在40mA
·
cm
‑2,40mAh
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cm
‑2的循环性能图；
[0026]图6为本专利技术实施例1制备的高熵合金NiCuZnCdIn/C复合材料对称电池在60mA
·
cm
‑2,60mAh
·
cm
‑2的循环性能图；
[0027]图7为本专利技术实施例1制备的高熵合金NiCuZnCdIn/C复合材料的全电池性能图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和实施例对本专利技术进行具体说明，但本专利技术的实施方式不限于此。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。下列
实施例中未注明具体实验条件的试验方法，通常按照常规实验条件。除非特别说明，本专利技术所用试剂和原材料均可通过市售获得。
[0029]实施例1
[0030]本实施例提供了一种碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料制备方法具体包括以下步骤：
[0031]步骤1：称取等摩尔比的Ni(NO3)2·
6H2O、Cu(NO3)2·
9H2O、Zn(NO3)2·
6H2O、Cd(NO3)2·
4H2O本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、按摩尔比1:1:1:1:1称取镍源、锌源、铜源、铟源和镉源溶于5～20mL无水乙醇中，搅拌均匀后得到镍、锌、铜、铟和镉金属离子总浓度为0.005～0.2mol/L的NiCuZnCdIn溶液；步骤二、将碳纸在等离子体清洗机中处理后置于步骤一中的溶液中充分浸渍，随后在烘箱中干燥，重复浸渍和烘干1～5次，得到NiCuZnCdIn/C前驱体；步骤三、将步骤二制备的前驱体放入氧化铝坩埚中，将管式气氛炉的设定温度为900～1200℃，通入氩氢混合气，将管式气氛炉升至设定温度后在1～2s内将前驱体推进炉腔内部，使前驱体达到900～1200℃，退火1～3h后，将材料在1～2s内拉出炉腔并使其达到室温，以得到高熵合金NiCuZnCdIn/C复合材料。2.如权利要求1所述的碳基五元高熵合金NiCuZnCdIn材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的镍源、锌源、铜源、铟源、镉源分别为其硫酸盐、氯化物和硝酸盐中的任一种。3.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王思哲，王珺，宋浩杰，贾晓华，杨进，冯雷，邵丹，李永，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：