[发明专利]可再充电电池的锑基负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及可再充电电池的锑基负极材料、制备这种材料的方法以及电池，特别是包含这种材料的钠离子或锂离子电池。

背景技术

锂离子电池(LIBs)仍然是最突出的可再充电电化学储能技术[1]，其对便携式电子设备以及快速增长的、对环境友好的电动车具有巨大的重要性[2]。概念上相同的技术，钠离子电池(SIBs)也正在成为一种可行的替代，这是由于钠与锂相比具有更大的天然丰度和更均匀的分布。由于其长的操作寿命、数百至数千充电/放电循环以及其能量密度和功率密度之间的卓越和广泛可调平衡性，商业化LIBs的呼吁尤其强烈[3]。这意味着，除其他外，在寻求另一可供选择的锂离子负极材料时，不仅必须要有比石墨(372mAh g^-1)更高的可逆理论电荷存储容量，而且也能在长期及快速充电/放电循环(大电流密度)下保持令人满意的容量保持。例如，从商业化石墨负极过渡到最深入研究的替代品如Si、Ge、Sn和某些金属氧化物(具有高2-10倍的理论容量(其中Si最高，为3579mAh g^-1)[4])的主要阻碍是由于全锂化为例如Li₃Sb、Li₁₅Si₉、Li₁₅Ge₄、Li₂₂Sn₅[5]所造成的高达150-300％的急剧的体积变化导致的结构不稳定性以及缓慢的反应动力学。目前，重要的研究努力集中在活性材料的纳米结构化，通过生成纳米线、纳米颗粒和纳米晶体(NPs和NCs)，以减小体积变化的影响，并提高了锂化动力学[6]-[13]。关于SIBs，着重指出的是更需要高效负极材料，因为硅在环境条件下不能可逆地存储钠离子[14]，石墨表现出的容量30-35mAh g^-1可忽略不计[15]，而其它含碳材料在相当小的电流倍率(current rate)下表现出的容量低于300mAh g^-1，并且由于高孔隙率导致了堆积密度低[12]。与LIBs相反，钠离子正极比钠离子负极有更大的进步空间[16][17]。

以元素形式，锑(Sb)长期以来被认为是有前途的高能量密度LIBs负极材料，因为其完全锂化到Li3Sb时具有660mAh g^-1的高理论容量[3][4]，并且作为机械研磨或化学合成的纳米复合材料[18]-[21]，以及大块(bulk)微晶或薄膜材料形式[22]、[23]，再次获得了关注。此外，用Na将大块Sb稳定和可逆的电化学合金化最近也已经得到证明[22]，指出了此元素在SIBs中的效用。2012-2013年发表的若干报告已经证明钠离子在Sb/C纤维[5]、机械研磨的Sb/C纳米复合材料[24]、Sb/碳纳米管纳米复合材料[25]以及薄膜中[23]中的有效存储。