[发明专利]一种高性能锌离子电池正极材料掺铜硒化铋及制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能锌离子电池正极材料掺铜硒化铋及制备方法，它是五水合硝酸铋和亚硝酸钠为原料，加入碘化亚铜，采用水热合成一步得到厚度仅为4nm的掺杂铜硒化铋纳米片。本发明工艺方法简单、操作方便、环境友好，所采用的设备简单，生产成本低，该方法制备的掺杂铜的硒化铋正极材料比容量高，循环稳定性好，适合大规模工业化生产。将所制备的掺杂铜的硒化铋作为正极与负极极片组装成电池表现出较高的容量和好的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种高性能锌离子电池正极材料掺铜硒化铋及制备方法，属于锌离子电池技术领域。

背景技术

随着科学技术的进一步发展，能源和环境问题的日益冲突，新型二次电池引起了研究者的极大关注。相比于锂离子电池，水性锌离子电池(ZIB)因具有较高的理论容量(Zn负极 820mAh g^-1/5855mAh cm^-3)、低的Zn/Zn²⁺氧化还原电位(-0.76V vs标准氢电极)，而且所用Zn负极价格仅为锂八分之一，电解液为pH近中性的水基电解液，比起锂离子电池中易燃的酯基电解液，在水中的优异稳定性和无毒性、资源丰富、成本低、安全等独特优点，在新型电池中具有非常大的应用潜力。此外，锌离子电池可在空气中直接组装，不仅减少了能源的浪费，也简化器件的制备步骤，有效降低了电池制备成本。

锌离子电池常用的正极材料包括各种过渡金属化合物，如锰、钒或钼基氧化物/硫化物，普鲁士蓝类似物和导电聚合物等。然而锌离子电池枝晶、析氢等因素抑制了其作为新型电池的发展，为此也提出了多种办法来解决此类问题，像高浓电解液、改善隔膜等，对于锌离子电池的发展起到了促进作用，但对于电池本身来讲，对正负极进行改善是提高锌离子电池性能和稳定性的最优方案。

Bi₂Se₃作为拓扑绝缘体二维层状纳米材料，类石墨烯层状结构，具有优良的光、热、电、磁性能，在金属-离子电池、热电器件、传感器等方面有着很大的应用前景。目前所报道的Bi₂Se₃的制备方法主要有化学气相沉积法(CVD)、水热法，高压合成法、磁控溅射法等，CVD技术速率较低，且参加沉积的尾气易燃、易爆和有毒，对设备也有一定的腐蚀作用，而高压合成和磁控溅射的方式对于反应也需要较为精准的把控，操作过程较为复杂，相较于这些方法，水热法操作简单，过程安全，是一种理想的制备Bi₂Se₃样品的方法。并且我们在通过这种水热的方式，将Cu原子掺杂在Bi₂Se₃中，合成出来掺杂铜的硒化铋正极材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高性能锌离子电池正极材料掺铜硒化铋及制备方法，制备方法简单、环保，将其作为锌离子电池正极材料使用，容量高，大电流性能好，循环稳定性好，组装成全电池后仍然可发挥出高的比容量的掺杂铜的硒化铋纳米正极材料。

本发明的技术方案如下：

一种高性能锌离子电池正极材料掺铜硒化铋，其单层厚度为4nm±2nm。

本发明优选的，该层状结构中Bi₂Se₃为六方晶体结构(ICSD#89-2008)，通过铜的掺杂使得Zn²⁺在材料中传输的静电排斥力进一步减弱，提高了Zn²⁺的扩散速率。

上述高性能锌离子电池正极材料掺铜硒化铋的制备方法，包括步骤如下：

(1)将五水合硝酸铋和亚硒酸钠溶于有机溶剂中，搅拌30min；

(2)将碘化亚铜溶于有机溶剂中，搅拌30min；

(3)将步骤(2)制得的反应液取适量倒入步骤(1)中，进行搅拌使其混合；

(4)将所得溶液加入抗坏血酸，搅拌5-10min；