[发明专利]拓扑储能材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种拓扑储能材料及其制备方法，包括：拓扑绝缘体、高容量储能材料以及包覆在前面两种材料外层的包覆材料，高容量储能材料是指比容量500mAh/g的电池负极材料；拓扑绝缘体包括Bi₂Se₃、SnSe₂、Sb₂Te₃、Bi₂Te₃中至少一种，高容量储能材料选自Sn、SnSe₂、Sn的氧化物中至少一种，包覆材料选自石墨、石墨烯、碳纳米管、硬碳、软碳中至少一种；本发明结合拓扑绝缘体表面极好的电子传导能力和锡基材料的高比能特性，开发了具有优良倍率性能的复合纳米材料，并使用少量石墨对复合材料进行包覆，改善其充放电过程中由于体积变化带来的容量衰减，使材料拥有更好的电化学性能。

技术领域

本发明涉及新型“拓扑储能”理念在储能材料中的应用技术领域，具体涉及一种包括拓扑绝缘体(Topological insulators)的新型拓扑储能材料及其制备方法。

背景技术

按照导电性质的不同，材料可分为“金属”和“绝缘体”两大类；而更进一步，根据电子态的拓扑性质的不同，“绝缘体”和“金属”还可以进行更细致的划分。拓扑绝缘体就是根据这样的新标准而划分的区别于其他普通绝缘体的一类绝缘体。因而，拓扑绝缘体的体内与人们通常认识的绝缘体一样，是绝缘的，但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态，这是它有别于普通绝缘体的最独特的性质。这样的导电边缘态是稳定存在的，且不同自旋的导电电子的运动方向是相反的，所以信息的传递可以通过电子的自旋，而不像传统材料通过电荷，不涉及耗散过程，通俗地说就是不会发热，这一发现让人们对制造未来新型电脑芯片等元器件充满了希望。(叶飞，苏刚.拓扑绝缘体及其研究进展[J].物理,2010,39(8):564-569.)

将“拓扑”理念引入凝聚态物理学中堪称几十年来数学思想指导物理学理论和实验研究的“典范”，由拓扑结构发生变化的“拓扑相变”理论成功突破了“二维和一维有限温体系(或一维的零温量子体系)不能发生连续对称性自发破缺”的理论限制，并摘得了2016年诺贝尔奖。以“拓扑绝缘体”为代表的拓扑材料在新半导体材料研究和产业应用中大放异彩，其体相绝缘而表面金属态的性质有望解决芯片散热的产业问题。

传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体、导体和半导体，其中绝缘体材料在其费米能处存在着有限大小的能隙，因而没有自由载流子。拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，其体相绝缘而表面金属态。(1)低电阻性：时间反演对称性的保护，使得运动方向和自旋同时改变，则被杂质散射时可继续前进，正是这个性质导致了低电阻，此性质同时带来低热量耗散。(2)自由运动的电子：拓扑绝缘体的电子运动不符合通常金属电子色散关系E＝k^2/2m，而是E＝v*k，v就是电子运动的速率(已假定k0＝0)。注意对光而言，有E＝c*k成立，其中c为光速，所以我们说，电子的运动方式，不像非相对论的粒子，而像光，只是速率不同。

在储能领域中，人们十分关注离子导电与电子导电的关联，研究表面与体相的差异，分析界面、孔道、尺寸等介观尺度的结构和性质，而这些恰恰与拓扑性质中的整体性和连续性与极大的关联。因此完全可以突破传统观念的限制，将“拓扑”的数学理念引入储能研究中。将“拓扑”的数学和物理模型与“储能”的实际研究深度融合，在国际上还鲜有报道。

以“拓扑”理念为指导的储能材料研究，完全可以说开辟了新领域、新思维、新境界。

传统赝电容材料(金属氧化物、导电聚合物)普遍存在电子导电性差和体积变化的缺点，碳包覆的方式可以有效解决体积变化的问题，但对导电性改善贡献有限。而拓扑绝缘体具有表面态电子自由输运的特性，若将拓扑绝缘体材料制备到单层级别，就可以发挥表面态的优点，应用在储能材料上，不仅改善倍率性能，也通过电子导电性的增强而显著提高容量。根据一些最新的研究，MoSe₂/Bi₂Se₃这种金属硒化物/拓扑绝缘体的杂化物呈现出高比电容，令人满意的倍率性能和快速离子扩散，显著增强了超级电容器的性能。