[发明专利]一种高性能碱金属离子电池负极用复合材料

说明书

本发明属于电化学材料技术领域，涉及一种高性能碱金属离子电池负极用复合材料，该复合材料为含氧空位的非晶态BiPOsubgt;4/subgt;氮掺杂碳复合材料，其微观形貌为纳米球形颗粒，尺寸范围为0.2～1.0um，其中BiPOsubgt;4/subgt;的质量分数≥60％，该复合材料能够用于碱金属离子电池，并与碱金属离子发生可逆的电化学转化反应和合金化反应，提高碱金属离子电池的比容量和安全性能，其氧阴离子可以作为缓冲体积变化的基体，防止电极材料的粉化，从而提高循环寿命。

技术领域：

本发明属于电化学材料技术领域，涉及一种高性能碱金属离子电池负极用复合材料，通过调节复合材料的氧空位浓度和非晶态结构提高其电化学性能。

背景技术：

近年来，随着环境压力和传统能源危机的加剧，电化学储能因其较低的环境污染和较高的能量转换率在能源结构中所占比重不断增加。在各种电化学储能系统中，碱金属离子电池(如锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池)因其质量/体积密度高、使用寿命长、环境影响小、使用灵活、维护方便等优点而受到广泛关注，适用于便携式电子设备、电动汽车和大规模电网储能等各种应用场景。

在迄今为止研究的电极材料中，合金材料(如Sn、Sb、Bi)由于具有理论比容量高、适宜的电压平台等优点，被认为是替代碳负极材料的新一代高能量密度负极材料。但是合金材料在循环过程中巨大的体积变形会导致活性材料被粉碎，随后从集流体上剥离，从而使固体电解质界面层反复形成，直接导致容量衰减以及循环性能差。与广泛研究的碳材料、合金基氧化物和硫化物相比，合金基磷酸盐没有得到广泛关注，但这并不意味着它不值得进一步研究。例如，BiPO₄中的聚阴离子基团(PO₄)可以稳定循环过程中的结构形变从而提高电极材料的循环稳定性，但是其较差的本征电导率极大地限制了这类材料在储能领域的进一步应用。

研究表明，在氧化物或磷酸盐电极材料中引入氧空位可以提供额外的反应位点，增强电子电导率，促进离子传输，缓冲结构变形，从而大大提高电极性能。控制氧空位形成的方法有很多，如离子掺杂，高能粒子轰击，等离子体诱导等方法。这些传统方法是基于无空位材料的合成的基础上通过后处理的方式引入氧空位，需要多步工艺和复杂的器件，不利于实际应用。因此，如何利用简单的方法实现空位结构的可控调整，仍然是利用空位来调整材料性能亟待解决的关键问题。

非晶态材料由于其特殊的各向同性性质和高效的渗流路径，可以提高碱金属离子在电极和电解液中的扩散速率。研究表明，Li⁺和Na⁺在非晶态材料中的扩散有时比在具有相似粒径和形貌的晶体材料中的扩散更快，然而现有技术中并没有关于非晶态材料是否对钾储存性能影响的研究报告。此外，氧空位和非晶态结构的协同界面工程能否可以通过一种简单的方法合成也尚不清楚。

发明内容：

本发明针对现有技术存在的缺点，设计提供了一种高性能碱金属离子电池负极用复合材料，该复合材料采用铋盐和含磷有机物高温碳化的方法一步制成。

为了实现上述目的，本发明所述高性能碱金属离子电池负极用复合材料为含氧空位的非晶态BiPO₄氮掺杂碳复合材料，其微观形貌为纳米球形颗粒，尺寸范围为0.2～1.0um，其中BiPO₄的质量分数≥60％。

本发明制备所述高性能碱金属离子电池负极复合材料的过程具体包括如下步骤：

(1)先将铋盐与有机磷酸在充满氩气的手套箱中研磨15分钟，再在管式炉中进行高温煅烧；

(2)将步骤(1)煅烧后的产物溶于乙醇溶液后超声30分钟，随后进行抽滤，经洗涤、干燥后得到高性能碱金属离子电池负极BiPO₄/氮掺杂碳复合材料。

优选的，步骤(1)中所述的铋源为硝酸铋；有机磷酸为乙二胺四甲叉膦酸、磷酸二氢铵、苯膦酸、二苯基磷酸、三苯基膦酸中的一种。