一种非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供一种非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料、其制备方法及应用。所述复合骨架材料，包括多孔碳和负载在所述多孔碳上的非晶合金颗粒；所述非晶合金颗粒的化学式为Bi

【技术实现步骤摘要】
一种非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及钠/钾金属电池的
，具体涉及一种非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]近些年来，构建以新能源为主体的新型电力系统，实施直接和间接用能源的清洁化、低碳化转换升级是亟需完成的重大任务。而低成本、长寿命储能体系的发展对构建以新能源为主体的新型电力系统，具有重要的战略意义。钠/钾金属电池由于其具有较高的理论比容量(1166mAh g
‑1/687mAh g
‑1)和较低的标准电位(
‑
2.714V/
‑
2.93V vs.标准氢电极)，成为理想的储能系统选择。
[0003]然而，由于极高的反应活性，在钠/钾金属脱出和沉积的过程中，容易发生钠/钾离子的不均匀分布，导致严重的体积膨胀和枝晶生长，导致负极表面的固体电解质膜(SEI)不稳定，最终造成性能衰减甚至安全问题。为了解决这些问题，科研人员提出了一系列策略，包括构筑三维骨架、设计人工界面保护层、调节电解液成分等。这些策略都对钾金属的沉积形貌和循环性能有一定的优化调节作用，但是钠/钾金属电池的循环寿命、体积膨胀等仍需要进一步优化。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料、其制备方法及应用。所述非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料用于制备钠/钾金属负极材料，能够抑制体积膨胀，明显提升电池的循环寿命和倍率性能。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料，包括多孔碳和负载在所述多孔碳上的非晶合金颗粒。
[0006]所述非晶合金颗粒的化学式为Bi
a
Sn
b
Sb
c
Ge
d
，其中，a、b、c、d分别代表Bi、Sn、Sb、Ge的原子数，0.1≤a≤0.3，0.1≤b≤0.3，0.1≤c≤0.3，0.1≤d≤0.3，且a+b+c+d＝1。
[0007]优选地，所述非晶合金颗粒和多孔碳的质量比为1:(2～4)。
[0008]优选地，所述非晶合金颗粒的粒径为5～10nm。
[0009]优选地，所述非晶合金颗粒负载在多孔碳的骨架内部。
[0010]第二方面，本专利技术提供了一种非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料的制备方法，包括如下步骤：
[0011]将MgO模板、铋源、锡源、锑源和锗源混合后，在真空中烧结，然后取出冷却，去除MgO模板，得到所述非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料；
[0012]所述铋源、锡源、锑源和锗源含有碳元素。
[0013]优选地，所述铋源包括三苯基铋、柠檬酸铋或三对甲苯基铋中的任意一种或多种。
[0014]优选地，所述锡源包括四苯基锡、四甲基锡、四环己基锡、四烯丙基锡、四乙烯基锡、己二烯二丁基锡、烯丙基三苯基锡、三丁基乙烯锡或烯丙基三丁基锡中的任意一种或多
种。
[0015]优选地，所述锑源包括三苯基锑、乙二醇锑、三(二甲基氨基)锑中的任意一种或多种。
[0016]优选地，所述锗源包括四苯基锗、甲氧基锗、异丙醇锗、四甲基锗或四乙基锗中的任意一种或多种。
[0017]优选地，所述MgO模板、铋源、锡源、锑源和锗源的质量比为(0.3～1)g:(50～200)mg:(50～200)mg:(50～200)mg:(50～200)mg。
[0018]第三方面，本专利技术提供一种钠金属负极材料，包括所述的非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料或根据所述的制备方法制备得到的非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料和包覆在所述非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料上的钠金属。
[0019]第四方面，本专利技术提供一种钾金属负极材料，包括所述的非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料或所述的制备方法制备得到的非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料和包覆在所述非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料上的钾金属。
[0020]第五方面，本专利技术提供一种金属电池，包括所述的钠金属负极材料或钾金属负极材料。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0022]本专利技术提供的非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料可用于制备钠/钾金属负极材料，其中非晶合金颗粒具有优异的屈服强度，能够避免体相断裂，而多孔碳骨架能够对非晶合金颗粒进行限域，可以有效减轻负极材料的体积变化，使得非晶合金颗粒持续充当钠/钾离子的成核位点，且非晶合金颗粒有利于钠/钾离子的迁移，从而使得采用钠/钾金属负极材料组装的对称电池能够表现出较小的对称电池电压和优异的循环性能，并且采用钠/钾金属负极材料组装的钠/钾金属全电池具有优异的倍率性能。
附图说明
[0023]图1为实施例1和对比例1得到的材料的XRD图；
[0024]图2为实施例1和对比例1得到的材料的高分辨透射电镜图；
[0025]图3为实施例1和对比例1得到的材料的SEM图像，其中(a)为实施例1得到的材料的SEM图像，(b)为对比例1得到的材料的SEM图像；
[0026]图4为实施例1和对比例1得到的材料的TEM图像，其中(a)为实施例1得到的材料的TEM图像，(b)为对比例1得到的材料的TEM图像；
[0027]图5为应用例1和对比应用例1得到的负极材料的沉积扫描电镜图像，其中(a)～(c)为应用例1得到的负极材料在不同放大倍数下的沉积扫描电镜图像，(d)～(f)为对比应用例1得到的负极材料在不同放大倍数下的沉积扫描电镜图像；
[0028]图6为应用例4和对比应用例3得到的负极材料的沉积扫描电镜图像，其中(a)～(c)为应用例4得到的负极材料在不同放大倍数下的沉积扫描电镜图像，(d)～(f)为对比应用例3得到的负极材料在不同放大倍数下的沉积扫描电镜图像；
[0029]图7为采用应用例1得到的负极材料组装的对称电池在电流密度为0.5mA cm
‑2，面积容量为0.5mAh cm
‑2的条件下测试对称电池的循环时间
‑
电压曲线对比图；
[0030]图8为采用应用例4得到的负极材料组装的对称电池在电流密度为0.5mA cm
‑2，面
积容量为0.5mAh cm
‑2的条件下测试对称电池的循环时间
‑
电压曲线对比图；
[0031]图9为分别采用应用例1得到的负极材料和单纯的钾金属作为负极组装的全电池在1～125C的大电流密度下的倍率性能对比图；
[0032]图10为分别应用例4得到的负极材料、对比应用例3得到的负极材料和单纯的钠金属作为负极组装的全电池在1～80C的大电流密度下的倍率性能对比图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料，包括多孔碳和负载在所述多孔碳上的非晶合金颗粒；所述非晶合金颗粒的化学式为Bi
a
Sn
b
Sb
c
Ge
d
，其中，a、b、c、d分别代表Bi、Sn、Sb、Ge的原子数，0.1≤a≤0.3，0.1≤b≤0.3，0.1≤c≤0.3，0.1≤d≤0.3，且a+b+c+d＝1。2.根据权利要求1所述的非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料，其特征在于，所述非晶合金颗粒和多孔碳的质量比为1:(2～4)。3.根据权利要求1所述的非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料，其特征在于，所述非晶合金颗粒的粒径为5～10nm。4.根据权利要求1所述的非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料，其特征在于，所述非晶合金颗粒负载在多孔碳的骨架内部。5.根据权利要求1～4中任一项所述的非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将MgO模板、铋源、锡源、锑源和锗源混合后，在真空中烧结，然后取出冷却，去除MgO模板，得到所述非晶合金颗粒/多孔碳复合骨架材料；所述铋源、锡源、锑源和锗源含有碳元素。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述铋源包括三苯基铋、柠檬酸铋或三对甲苯基...

【专利技术属性】
技术研发人员：余彦，黄慧娟，杨海，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：