[发明专利]金属锑/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池用复合材料领域，具体涉及一种金属锑/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、安全性能好等优点，因此在数码相机、移动电话和笔记本电脑等便携式电子产品中得到广泛应用，对于电动自行车和电动汽车也具有应用前景。目前商品化的锂离子电池的负极材料是石墨以及其它形式的碳材料。由于石墨的理论容量只有372mAh·g^-1，而且嵌锂电位较低，限制了其使用范围。与石墨等碳材料相比，金属锑具有较理想的嵌锂电位和较高的质量比及体积比容量，应用前景十分广阔。但由于金属锑在充放电过程中体积变化较大，并且由传统方法制备的金属锑颗粒尺寸较大且分布不均匀，所以金属锑的电化学稳定性较差。目前提高金属负极循环稳定性的方法有将材料纳米化及复合化。

复合材料(Composite materials)是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成的具有新性能的材料。复合材料中的各种材料一般在性能上能互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。石墨烯由于其电导率高，强度高，比表面积大，被广泛用作纳米颗粒的载体来制备复合材料。如申请号为201010158087.7的中国专利申请中公开了一种石墨烯负载四氧化三钴纳米复合材料及其制备方法，由石墨烯和四氧化三钴组成，四氧化三钴负载在石墨烯纳米片上，石墨烯纳米片的质量分数为2％-95％wt，石墨烯纳米片的厚度为0.3～50纳米，四氧化三钴的粒径为1～200纳米，四氧化三钴为球状或片状；制备方法为：取氧化石墨烯溶液和二价钴盐、高分子表面活性剂混合；然后和加入氧化剂的碱溶液混合后搅拌或者超声0.2～5小时，转移到高温反应釜中，在100～250℃下退火3～30小时得到产物，经洗涤、干燥，即得石墨烯负载四氧化三钴纳米复合材料。中国专利申请CN201110083740.2公开了一种过渡金属三锑化物/石墨烯复合材料，具有M_xSb₃/G的组成，其中M代表VIIIB族过渡金属元素，0.95≤x≤1.05，G代表石墨烯；该复合材料中过渡金属三锑化物由于石墨烯的分散和承载作用能够均匀分布，可有效提高过渡金属三锑化物在充放电过程中的稳定性；该复合材料采用一步水热法或一步溶剂热法的制备方法，具有工艺简单、成本低、周期短、能耗低等优点。因此，开发纳米尺寸的复合材料具有广泛的应用价值。

发明内容

本发明提供了一种电化学稳定性良好的金属锑/石墨烯复合材料。

本发明还提供了一种金属锑/石墨烯复合材料的一步制备方法，该方法工艺简单，能耗低、成本低，所得产物颗粒尺寸细小且分布均匀。

一种金属锑/石墨烯复合材料，由纳米级金属锑(Sb)和石墨烯(G)两者复合而成。

为了进一步提高复合材料的应用性能，所述的复合材料中石墨烯的重量百分含量优选为0.4％～20％，进一步优选为0.4％～16％。

金属锑的颗粒直径越小，越易覆载于石墨烯上，复合材料的电化学稳定性能越好，因此本发明选用纳米级金属锑，优选，所述的纳米级金属锑的颗粒直径为30纳米～100纳米。

优选，所述的复合材料中纳米级金属锑呈均匀分散。

所述的金属锑/石墨烯复合材料的制备方法，为一步水热法或一步溶剂热法。

为了达到更好的发明效果，优选：

所述的金属锑/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)以含三价锑的化合物为原料，将之溶于去离子水或有机溶剂中，得到锑离子(Sb³⁺)浓度为0.05mol/L～0.5mol/L的溶液；

2)在步骤1)的溶液中加入氧化石墨烯(GO)和还原剂后于密封环境中在100℃～250℃反应6小时～72小时后冷却，收集固体产物，经去离子水和无水乙醇交替反复洗涤，干燥，得到金属锑/石墨烯复合材料；

所述的GO的加入量为金属锑理论重量的1％～50％，进一步优选为1％～40％；

所述的还原剂的加入量由两部分核算，按以下方法确定：每摩尔Sb³⁺加入4摩尔～6摩尔还原剂，每克GO再加入0.2摩尔～1摩尔还原剂。

所述的含三价锑的化合物可选用三氯化锑、三氧化二锑、硝酸锑、硫酸锑、碳酸锑、草酸锑、醋酸锑或所述任意一种盐的水合物。

所述的有机溶剂是乙醇、甲醇、乙二醇、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、吡啶、乙二胺、苯或甲苯。