一种核壳状铋基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核壳状铋基复合材料，所述核壳状铋基复合材料为将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内形成的复合材料。本发明专利技术还提供了所述核壳状铋基复合材料在作为二次电池负极材料中的应用。所述壳状铋基复合材料在100mA/g的电流密度下经过100次循环放电比容量可以稳定在518mAh/g，电流密度为500mA/g时经过380次循环放电比容量仍保持在378mAh/g，同时在倍率性能测试中表现出出色的稳定性。因此，本发明专利技术壳状铋基复合材料可作为二次电池负极材料用于制备二次电池，使制备获得的二次电池具有循环稳定性好和电阻低的优点。环稳定性好和电阻低的优点。环稳定性好和电阻低的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种核壳状铋基复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于复合材料和二次电池
，具体涉及一种核壳状铋基复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着人口基数的不断增加，能源问题早已成为人类发展中无法规避的难题。众多科研工作者致力于推进新能源的发展，尝试减轻不可再生能源的过度使用。这其中锂离子电池是研究热门，而新型阳极材料的开发正是研究工作的关键。
[0003]目前锂离子电池阳极普遍使用石墨材料，这种理论比容量仅为372mAh/g的材料限制了这种新型能源的发展。普通的石墨阳极无法为锂离子电池提供足够的比容量，这导致了这种新型能源仍然无法取代传统能源。因此广大学者根据元素周期表，对各种元素展开了大量的研究。然而目前关于Bi基材料的报道非常少，事实上Bi基材料也是一种极具研究价值的阳极材料。通过合理的结构设计，Bi基复合材料在用作锂离子电池阳极时可以表现出优异的电化学性能。殷等人使用静电纺丝技术和碳热反应制备了一维Bi/C纳米纤维，在100mA/g电流密度下获得了339.3mAh/g的稳定比容量。杨等人使用气溶胶喷雾热解技术成功制备了Bi纳米颗粒均匀分散在碳球中的Bi@C微球。在100mA/g电流密度下循环100次后比容量为280mAh/g。然而，Bi基复合材料的比容量仍有进一步提升的空间。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术的目的在于提供一种核壳状铋基复合材料，其在100mA/g和500mA/g的电流密度下均具有高的比容量，循环稳定性高，可以充分发挥储锂性能。<br/>[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0006]一种核壳状铋基复合材料，所述核壳状铋基复合材料为将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内形成的复合材料。
[0007]在一些实施例中，所述核壳状铋基复合材料为将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内，再经惰性气氛热处理后形成的复合材料。
[0008]在一些实施例中，所述核壳状铋基复合材料中碳的质量百分含量为70～75％；Bi的质量百分含量为14～16％。
[0009]在一些实施例中，所述将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内的方法如下：将Bi2O3颗粒加入纺丝液中进行静电纺丝，从而将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内。
[0010]在一些实施例中，所述Bi2O3颗粒为通过水热法制备获得。
[0011]在一些实施例中，所述Bi2O3颗粒的直径为150～210nm。
[0012]在优选的实施例中，所述Bi2O3颗粒的直径为170～190nm。
[0013]在更优选的实施例中，所述Bi2O3颗粒的直径为180nm。
[0014]在一些实施例中，所述Bi2O3颗粒在所述纺丝液中的浓度为8～12g/L。
[0015]在优选的实施例中，所述Bi2O3颗粒在所述纺丝液中的浓度为9～10g/L。
[0016]在一些实施例中，所述纺丝液包含聚丙烯腈和N，N
‑
二甲基甲酰胺，两者的料液比为(70～80)：1g/L；进一步地，两者的料液比为(75～80)：1g/L。
[0017]在一些实施例中，所述静电纺丝的电压为18～25KV。
[0018]本专利技术还提供了上述核壳状铋基复合材料在作为二次电池负极材料中的应用。
[0019]在一些实施例中，所述二次电池为锂离子电池。
[0020]本专利技术还提供了上述核壳状铋基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备Bi2O3颗粒：将Bi(NO3)3·
5H2O和PVP加入稀硝酸中，制成A溶液；将尿素溶解于乙二醇中，制成B溶液；将B溶液和A溶液混合均匀，在100～200℃下反应1～3h，清洗产物，得到所述Bi2O3颗粒；(2)将所述Bi2O3颗粒加入由聚丙烯腈和N，N
‑
二甲基甲酰胺组成的纺丝液中，在18～25KV电压下通过静电纺丝将所述Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内。
[0021]在一些实施例中，所述制备方法还包括对静电纺丝产物进行固化和氮化：将静电纺丝产物在260～280℃空气气氛下固化，然后在600～800℃氮气气氛下氮化。
[0022]在优选的实施例中，将静电纺丝产物在260～270℃空气气氛下固化，然后在700～800℃氮气气氛下氮化。
[0023]在一些实施例中，所述Bi(NO3)3·
5H2O、PVP、和尿素的摩尔比为(0.5～3)：(5～10)
×
10
‑3：(4～8)。
[0024]在优选的实施例中，所述Bi(NO3)3·
5H2O、PVP、和尿素的摩尔比为(1～2)：(7～8.5)
×
10
‑3：(4.5～6.5)。
[0025]在一些实施例中，所述Bi2O3颗粒与聚丙烯腈的质量比为(0.1～0.14)：(0.8～1.2)。
[0026]在优选的实施例中，所述Bi2O3颗粒与聚丙烯腈的质量比为(0.1～0.12)：(0.9～1)。
[0027]在一些实施例中，所述Bi2O3颗粒在所述纺丝液中的浓度为8～12g/L。
[0028]在优选的实施例中，所述Bi2O3颗粒在所述纺丝液中的浓度为9～10g/L。
[0029]在一些实施例中，所述稀硝酸的浓度为(0.5
‑
2)mol/L。
[0030]本专利技术提供了一种将Bi2O3颗粒通过静电纺丝包覆在微米级碳球内形成的壳状铋基复合材料，专利技术人经过研究发现，采用静电纺丝的方法制备碳微米球，实现对Bi2O3颗粒的包覆，可以极大程度地提升Bi2O3颗粒的循环稳定性。所述壳状铋基复合材料作为负极材料制备的半电池在100mA/g的电流密度下经过100次循环放电比容量可以稳定在518mAh/g，电流密度为500mA/g时经过380次循环放电比容量仍保持在378mAh/g，同时在倍率性能测试中表现出出色的稳定性。因此，本专利技术壳状铋基复合材料可作为二次电池负极材料用于制备二次电池，使制备获得的二次电池具有循环稳定性好和电阻低的优点。
[0031]本专利技术首先通过水热法制备Bi2O3颗粒，制备获得的Bi2O3颗粒具有成型效果良好的优点，非常适合用于进行静电纺丝；然后进一步通过高压电纺技术将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内，经过惰性气氛热处理得到所述的壳状铋基复合材料，制备方法简单高效。
附图说明
[0032]图1为本专利技术所述壳状铋基复合材料的制备流程图。
[0033]图2为本专利技术所述壳状铋基复合材料的鉴定结果图；其中：(a)Bi2O3颗粒；(b)Bi@C；
(c)：Bi@C的XRD图谱；(d)TEM图；(e)和(f)元素映射图像。
[0034]图3为本专利技术所述壳状铋基Bi@C复合材料的热分析图。
[0035]图4为本专利技术所述壳状铋基Bi@C复合材料的性能测试结果图；其中：(a)Bi@C在0.1mV s
‑1扫速下的CV曲线；(b)100mAg
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核壳状铋基复合材料，其特征在于，所述核壳状铋基复合材料为将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内形成的复合材料。2.如权利要求1所述的核壳状铋基复合材料，其特征在于，所述核壳状铋基复合材料为将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内，再经惰性气氛热处理后形成的复合材料。3.如权利要求1或2所述的核壳状铋基复合材料，其特征在于，所述核壳状铋基复合材料中碳的质量百分含量为70～75％；Bi的质量百分含量为14～16％。4.如权利要求1或2所述的核壳状铋基复合材料，其特征在于，所述将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内的方法如下：将Bi2O3颗粒加入纺丝液中进行静电纺丝，从而将Bi2O3颗粒包覆在微米级碳球内。5.如权利要求4所述的核壳状铋基复合材料，其特征在于，所述Bi2O3颗粒的直径为150～210nm；和/或，所述Bi2O3颗粒在所述纺丝液中的浓度为8～12g/L。6.如权利要求4所述的核壳状铋基复合材料，其特征在于，所述纺丝液包含聚丙烯腈和N，N
‑
二甲基甲酰胺，两者的料液比为(70～80)：1g/L。7.如权利要求1～6任一项所述的核壳状铋基复合材料在作为二次电池负极材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚少巍，石崇桦，付行，聂家琎，
申请(专利权)人：华北理工大学，
类型：发明
国别省市：