[发明专利]一种纳米级立方体锡酸钴和石墨烯复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及钠离子电池材料领域，具体涉及一种纳米级立方体锡酸钴CoSnO₃和石墨烯复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

近几十年来，由于化石燃料在全球范围内的大量消耗，化石燃料资源枯竭和环境污染日益严重的问题已经对人类生存和发展造成了重大影响。为了减少对化石燃料的依赖并缓解环境恶化的问题，风能、太阳能、生物质能、潮汐能和地热能等可再生能源和清洁能源得到了大力发展。由于大规模储能电网系统能够将这些间歇性的可再生能源集成到电网中，所以储能电网系统的建设是不可或缺的。在不同的储能技术中，可充电二次电池技术是实现大规模储能系统的最具潜力的技术手段，因为它具有高能量转换效率、环境友好性和可持续性利用等优点。

过去的二十年，人们见证了锂离子电池的成功商业化及其在便携式电子设备市场的推广应用。然而，有限的锂资源和高昂的成本限制了锂离子电池大规模应用和大型储能系统的建设。欲解决上述问题，人类需要探寻和开发可替代锂离子电池的材料。由于钠元素与锂元素位于同一主族，物化性质近似，而且钠资源储量丰富，分布广泛，成本较低，因此，钠离子电池的研究与应用备受瞩目，更重要的是钠离子电池被认为是在未来发展中最有可能取代锂离子电池的且最具有发展前景的可充电二次电池。

电极材料是钠离子电池的重要组成部分，特别是负极材料是钠离子电池技术的关键。目前，锂离子电池负极材料的发展要比钠离子电池负极材料的发展成熟得多，然而，由于钠离子电池的充放电机理与锂离子电池的充放电机理基本一致，这使得近年来钠离子电池负极材料的研究得到了迅猛发展。石墨是应用于锂离子电池最广泛的负极材料，其具有一个长程范围有序的分层结构，锂离子可以在石墨层之间较容易地嵌插与脱出。在锂离子电池系统中，石墨具有较高的理论可逆容量（372mAh/g）和较长的循环寿命。然而，将石墨应用于钠离子电池系统中，其容量仅为35mAh/g。为此，探寻高容量和优异循环性能的钠离子电池负极材料对于钠离子电池的大规模应用具有非凡的战略意义。在众多的钠电负极材料中，三元过渡金属氧化物因具有高理论比容量而受到了研究者的极大关注。然而，三元过渡金属氧化物在充放电循环过程中，伴随着较大的体积膨胀，易导致电极粉化和脱落，从而造成电池容量迅速下降；同时，三元过渡金属氧化物具有导电性差的特点，这进一步限制了其在钠离子电池电极材料中的发展。为了提高材料的导电性，抑制材料的粉化和脱落，提高材料的电化学性能，将三元过渡金属氧化物与高导电性的碳材料进行复合是一种有效的设计策略。

中国专利CN201510860848.6，公开了名称为：一种用于钠离子电池的多孔立方ZnSnO₃@石墨烯负极材料及其制备方法的专利文件，它将含有锌盐、锡盐的溶液混合搅拌一段时间后，过滤、干燥、煅烧得到多孔立体状ZnSnO₃；将ZnSnO₃超声分散在溶液中并加入表面处理剂进行搅拌，再与氧化石墨烯水溶液混合搅拌，过滤、干燥、热处理得到石墨烯包覆的多孔立方体状ZnSnO₃。该制备方法中用到了表面活性剂，表面活性剂是一种能使表面张力降低的有机化合物，具有分散、润湿和渗透等性能。在使用过程中，含有表面活性剂的废液不可避免地排入了水体、土壤等环境，表面活性剂的存在会导致环境问题越来越严重，甚至会危及整个生态。同时，它存在的不足之处还在于制备方法中使用了机械搅拌的方法来混合，该机械搅拌的方法不可避免地会使石墨烯包覆ZnSnO₃出现不均匀的现象。而本发明中，制备纳米级立方体CoSnO₃和石墨烯复合材料的方法没有使用表面活性剂，有效地避免了环境污染的问题。同时，该制备方法使用溶剂热法，该方法使得制备的纳米级立方体CoSnO₃和石墨烯复合材料的形貌更加均匀。

发明内容