[发明专利]一种自支撑型高熵氧化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

一种自支撑型高熵氧化物/石墨烯复合材料，高熵氧化物均匀分布于石墨烯片层间，高熵氧化物为尖晶石型结构。其制备方法为：将等摩尔的硝酸铁、硝酸镍、硝酸锰、硝酸铬和硝酸铜配制成混合盐溶液，然后将混合盐溶液进行喷雾热解，得到高熵氧化物；将氧化石墨膏加入水中超声分散处理，然后加入高熵氧化物，超声分散均匀，冷冻干燥，得到自支撑型高熵氧化物/石墨烯前驱体；再置于惰性气体中进行烧结，得到自支撑型高熵氧化物/石墨烯复合材料。本发明的高熵氧化物/石墨烯复合材料作为负极材料可用于制备具有高放电比容量、优异倍率性能和稳定循环性能的钠离子电池。

技术领域

本发明属于钠离子电池材料领域，尤其涉及一种自支撑型高熵氧化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在“双碳目标”引导下，传统化石能源转型与能源革命进程显著加速，开发清洁、高效的能源存储、转换及利用技术成为当前研究热点。钠离子相比锂离子迁移动力学缓慢，制约了快速充放电能力。钠的电位相比锂更高(-2.71V vs.-3.04V相对于标准氢电极)，会降低电池的工作电压和能量密度。储钠过程容易造成电极材料较大的体积变化，甚至诱导不可逆结构相变，影响电池的循环稳定性。这些共同构成了钠离子电池的技术难点，如何开发能够高效、快速、稳定储钠的电极材料成为当下研究热点。

多组元过渡金属氧化物—高熵氧化物(High entropy oxide，HEOs)具有高构型熵、较好的离子传导率，且四大核心效应使其具有较高比容量和优异的倍率性能等优点，被认为是目前最具有开发潜力的新型二次电池负极材料之一。

目前纯HEOs材料均存在一定的短板，极大的限制了钠离子电池的应用研究，主要原因如下：(1)传统方法制备的材料具有不规则的形貌、较低的比表面积，使得材料不能充分与电解液接触并进行电荷存储，从而降低其电化学性能；(2)涂覆极片制备过程中引入胶黏剂、导电炭黑等材料，会影响其电化学性的真实性，降低材料的能量密度，同时也增加材料的成本；(3)二维结构的电解液浸润问题会导致材料本身属性的容量释放受限。

因此，目前研究较多的HEOs是岩盐结构的材料，但是，岩盐HEOs面临着对可逆容量没有贡献的非活性氧化物的问题。

因此研究一种自支撑三维碳结构以解决上述问题，同时可以进一步增加材料导电性，实现材料优异的电化学性能尤为必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种自支撑型高熵氧化物/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种自支撑型高熵氧化物/石墨烯复合材料，高熵氧化物均匀分布于石墨烯片层间，所述高熵氧化物为尖晶石型结构，其分子式为(FeNiMnCrCu)₃O₄。

上述的自支撑型高熵氧化物/石墨烯复合材料，优选的，所述高熵氧化物为多孔球形结构，所述球形结构的尺寸为50-5000nm。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的自支撑型高熵氧化物/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将等摩尔的硝酸铁、硝酸镍、硝酸锰、硝酸铬和硝酸铜配制成混合盐溶液，然后将混合盐溶液进行喷雾热解，得到分子式为(FeNiMnCrCu)₃O₄的高熵氧化物；

(2)将氧化石墨膏加入水中超声分散处理，然后加入所述高熵氧化物，超声分散均匀，将所得的混合溶液进行冷冻干燥，得到自支撑型高熵氧化物/石墨烯前驱体；所述氧化石墨膏氧化石墨膏外购于科路得公司，其主要成分是质量分数为40％的氧化石墨和60％的溶剂水；

(3)将所述自支撑型高熵氧化物/石墨烯前驱体置于惰性气氛中进行烧结，得到自支撑型高熵氧化物/石墨烯复合材料。