[发明专利]氯化铋@多孔碳复合氯离子电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种氯化铋@多孔碳复合氯离子电池正极材料及其制备方法，其制备过程包括：将一定量的BiCl₃溶解在盐酸中；再将得到的BiCl₃溶液与一定量的多孔碳材料混合均匀，其中多孔碳的总孔体积应大于或等于所加入盐酸的体积；然后将所得混合物在真空环境下静置至少12h；最后，将所得混合物在一定温度和真空环境下旋转蒸发3‑5h，其中保温温度的范围可设定在120‑140℃，得到BiCl₃@多孔碳复合材料。本发明的氯化铋@多孔碳复合氯离子电池正极材料，在组装氯离子电池后循环性能明显优于纯BiCl₃，尤其是在60次循环以后依然保持90mAh g^‑1的稳定容量，取得了显著的提升。

技术领域

本发明涉及二次电池技术领域，尤其是电池正极材料技术，具体而言涉及一种氯化铋@多孔碳复合氯离子电池正极材料。

背景技术

随着科技的发展和对可再生能源的迫切需求，电能作为一种容易控制和转换的清洁能源形态越来越受到人们的重视，而作为储能设备的二次电池在其中起到至关重要的作用。目前应用最广泛的锂离子电池受到比能量密度、材料丰度、成本和安全性等限制，已经很难满足未来人们日趋增长的需求。因此，开发一种储量大、性能优异、安全性好、污染小、成本低廉的新型二次电池已迫在眉睫。

作为基于氯阴离子传导的氯离子电池是锂离子电池非常有前途的替代品。氯离子电池所使用的正极材料(金属氯化物、金属氯氧化物、氯掺杂导电聚合物等)和负极材料(钠、镁、钙等)储量丰富，价格低廉。此外氯离子电池的电池体系在电化学转换时具有较大自由能的变化，可以产生较高的电动势，据报道金属氯化物/金属体系的理论能量密度可达2500Wh L^-1，高于传统的锂离子电池(1901Wh L^-1)。

近年来，虽然关于氯离子电池正极材料的报道层出不穷，但是对金属氯化物正极的研究、试验和产业化却鲜有进展。2013年，X.Y.Zhao等在《Chloride ion battery:A newmember in the rechargeable battery family》中首次提出氯离子电池概念的报道中就使用金属氯化物作为正极材料，并总结出了该材料面临的主要问题：充放电过程中巨大的体积变化以及易溶于电解液发生穿梭效应，这使得该体系的电池几乎不具备反复充放电的能力。因此，在之前的研究中，金属氯化物，例如CoCl₂,VCl₃,CuCl₂等，均只有首次充放电性能。然而，BiCl₃作为金属氯化物的特例，它不溶于电解液，是目前唯一一个报道过有3次循环性能的氯化物正极材料。然而，该材料的容量衰减仍是十分严重，这主要是BiCl₃材料的导电性较差和充放电过程中较大的体积变化导致的。

现有技术中尝试对BiCl₃进行改性处理，以期望改善其应用在氯离子电池体系中的循环性能，但由于BiCl₃极易水解生成BiOCl，即使BiCl₃在干燥的空气中暴露几分钟，也会有BiOCl杂质出现。因此，在传统的改进过程中，要求整个制备过程不接触空气，同时要求实验仪器和原料药品都必须保证极低的水分，否则将影响最终产物的纯度，批量生产的难度较大，成本较高，而制备过程耗时较长，只要期间稍微接触到空气，就会有杂质BiOCl产生，这将明显增加了失败的风险。

发明内容

本发明的目的是针对BiCl₃材料循环性能差的缺点，提供一种具有良好电化学活性的BiCl₃@多孔碳复合氯离子电池正极材料。

本发明的另一目的是提供一种以多孔碳为载体，制备上述BiCl₃@多孔碳复合正极材料的方法。

根据本发明改进的第一方面提供一种BiCl₃@多孔碳复合氯离子电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：