[发明专利]一种锑‑碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于储能材料领域，特别涉及一种锑-碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着能源问题的日趋严峻，在过去半个世纪内，可充电电池(又称：二次电池)作为一种高效储能装置得到了迅猛的发展。在众多的二次电池体系中，锂离子电池以其工作电压高、污染小、自放电小、寿命长等优点倍受全球该领域科研工作者的关注。。作为锂离子及钠离子电池负极材料，锑基材料具有较高理论比容量(660mAh g^-1)。作为锂离子电池负极材料，锑的锂化电势平台平稳维持在0.85V左右。作为钠离子电池负极材料，锑的钠化电势平台平稳维持在0.52V左右。这一锂化及钠化电势对于应用于二次电池非常具有吸引力。只是锑基材料在锂化及钠化的过程中会发生非常严重的体积膨胀，使得锑基电极材料极易粉化并从导电集流体上脱落，造成电池容量降低、循环性能恶化，从而限制了其商业化发展及应用。针对锑基材料存在的问题，最常见的方法是将锑单质与碳复合并纳米化。目前报道的合成方法主要有胶体化学合成方法、模板法、静电纺丝法等，但这些方法的缺点一是制备过程烦琐，且多用一些昂贵的原材料，增加了制备成本，不适合工业化生产；二是这些繁琐的方法增加了控制反应条件的难度，降低了产品的纯度、性能和生产效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种锑-碳复合材料及其制备方法和应用，制备工艺简单，合成条件较易控制，适合工业化生产；制得的锑/碳复合材料具有较高的比容量，良好的充放电效率、循环效率及高倍率性能，是一种很有应用前景的锂离子电池及钠离子电池负极材料。

本发明提供了一种锑-碳复合材料，由三氧化二锑Sb₂O₃前驱物和有机高分子聚合物的流变态混合物通过原位还原及原位碳包覆制备而得。

所述三氧化二锑前驱物为多孔微米球结构。

本发明提供了一种锑-碳复合材料的制备方法，包括：

(1)将三氯化锑SbCl₃溶解于无水乙醇中得到三氯化锑乙醇溶液，加入氢氧化钠溶液搅拌得到混合溶液；然后将混合溶液放入反应釜中于120–150℃反应1-30h，离心、洗涤、干燥，即得三氧化二锑前驱物；

(2)将三氧化二锑前驱物和有机高分子聚合物混合均匀，加入水调成流变态，然后在惰性气氛下焙烧得到锑-碳复合材料；其中，焙烧温度为300-600℃，焙烧时间为30min-20h。

所述步骤(1)中的三氯化锑乙醇溶液的浓度为0.05-0.08mol·L^-1。

所述步骤(1)中的氢氧化钠溶液的浓度为1mol·L^-1。

所述步骤(1)中的三氯化锑乙醇溶液与氢氧化钠溶液的体积比为2:1。

所述步骤(2)中的有机高分子聚合物的加入量为50～5000g/mol Sb₂O₃。

所述步骤(2)中的焙烧升温速率为每分钟5-20℃；惰性气氛为氩气。

所述步骤(2)中的有机高分子聚合物为聚乙二醇、对苯二胺、聚乙烯醇中的一种或几种。

本发明提供了一种锑-碳复合材料的应用，所述复合材料应用于锂离子电池及钠离子电池负极材料。

本发明提供的技术方案是：复合材料由将三氧化二锑前驱物和固态聚乙二醇混合均匀，加入适量水调成流变态，然后在惰性气氛下焙烧得到锂离子及钠离子电池负极材料锑-碳复合材料。所谓的流变态是指具有流变学性质的物质的一种存在状态。处于流变态的物质一般在物理组成上可以是既包含有固体颗粒又包含液体的物质，可以流动或缓慢流动，宏观均匀的一种复杂体系；在化学上具有复杂的组成或结构；在力学上既显示出固体的性质又显示出液体的性质。

有益效果

(1)本发明把反应前驱物混合均匀，之后于惰性气氛中一步焙烧得到目标产物；方法为流变相原位还原法；所用的主要原料大部分来源丰富，价格低廉；是一种经济、洁净、高效的绿色合成方法；

(2)本发明工艺简单，工艺参数较易控制，重复性好，具有良好的应用前景。

(3)原料之一的聚乙二醇不仅是碳源，其原位分解所得的碳提高了材料的导电性，并且作为一种还原剂原位还原三氧化二锑，其原位分解产生的氢气和碳为产物锑的生成提供了强还原氛围；