[发明专利]一种锑基复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学储能电池材料技术领域，具体涉及一种锑基复合材料及其该锑基复合材料的制备方法和应用：所述锑基复合负极材料由锑粉与其他材料组成，其他材料为无定形碳、过渡金属粉末其中至少一种材料组成，所述锑粉的颗粒尺寸为微纳米级，所述过渡金属粉末粒度为微纳米级，锑粉充当电化学活性组分，无定形碳可充当电化学活性组分和体积变化缓冲基体，过渡金属粉末起体积变化缓冲作用和导电作用。本发明的锑基复合负极材料具有容量高、首次库伦效率高、循环性能良好和倍率性能优异等优点，可应用于钠/钾离子电池和超级电容领域。

技术领域

本发明属于电化学储能电池材料技术领域，具体涉及一种锑基复合材料及其该锑基复合材料的制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池（LIB）作为主要化学电源之一，已成功应用于便携式电子设备、混合动力汽车（HEV）和电动汽车（EV）。但是由于锂资源有限，锂离子电池成本的上涨最终将无法满足不断增长的工业需求，尤其是对于混合动力汽车、纯电动汽车和大型固定式储能领域。地壳中金属锂材料的丰度较低并且主要集中分布在南美洲，中国的锂原材料资源在全球中的占比并不高，中国的锂资料依靠大量的进口，由于世界各国均在不同程度的积极推进新能源，尤其在汽车领域大量的推动电动汽车的发展，而中国想大量将燃油车替换成混合动力汽车，甚至大量替换成纯电动汽车，所以锂原材料已经成制约中国新能源发展的瓶颈，我国急需研发出能商用替代锂离子电池的技术。

目前商用锂离子电池的能量密度提升已经遇到天花板，而且近年来锂离子电池的能量密度相比与过去二十五年提升空间仅仅是原来的3%，也促使世界各国开始研发替代锂离子电池的产品。

在元素周期表当中锂位于第3位，钠位于11位，钠的物理化学性质与锂相似，由于钠矿产资源丰富，分布均匀，促使人们对低成本高性能钠离子电池（SIB）进行了深入研究，截至2022年7月，金属钠价格为1.9万元/吨、碳酸钠价格为0.3万元/吨，显著低于金属锂的298万元/吨、碳酸锂的48.4万元/吨，可以看出钠资源比锂离子资源便宜很多。另外钠元素在地壳中丰度为2.3%，位居所有元素第六位，显著高于锂元素的0.0017%，从而当钠离子电池大量普及时不会出现类似锂离子电池需求大涨而导致的原材料大涨，所以从长远角度上钠原材料不仅仅难以上涨，还可能因为钠离子电池的大量需求促进钠原料开采技术提升从而降低钠原材料价格的降低。另外钠的标准电极电势（-2.71V）与锂（-3.04V）极为相近，意味着钠离子电池的理论能量密度也较为可观。

目前虽然已经可以制作出钠离子电池（SIB），但是钠离子电池目前却无法与锂离子电池竞争，无法大规模进入商用，其根本原因在于，钠离子电池的能量密度无法与锂离子电池相比。

迄今为止，借鉴锂离子电池（LIB）技术的丰富经验，在钠离子电池（SIB）的正极材料方面上已经取得较大的进步。然而，直接将锂离子电池（LIB）负极中的石墨套用于钠离子电池（SIB）中却并不成功，这是因为钠离子半径比锂离子大，钠离子半径为0.106nm，锂离子半径为0.076nm，钠离子很难在石墨中有效地脱嵌。直接将石墨材料作为钠离子电池负极时性能不佳，也是导致钠离子电池能量密度低、可逆性差、容量衰减严重的首要原因（ Chem.Commun. 2016, 52(4):12618-12621）。

钠离子电池与锂离子电池同样拥有枝晶生长的困扰，当石墨作为负极材料时，由于钠离子半径过大，嵌入/脱出石墨层间中需要高能的跃迁，因此相对于锂离子电池的电化学反应动力更为羸弱，所以寻找合适的钠离子电池负极材料是当今重要挑战之一（Chem.Rec. 2018,18(45): 459-479）。

尽管金属锑Sb负极材料理论容量很高，但是它在钠脱嵌过程中会经历剧烈的体积变化，导致严重的容量衰减。为了将钠离子电池落地到商业上进行大面积的推广，需要研发出一种作为钠离子电池的负极材料，该负极材料要具备十分高的容量且容量衰减低、循环使用寿命长等优点。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明实施例提供一种锑基复合负极材料。