[发明专利]碳包覆纳米空心铋单质的制备及其碱性电池应用

说明书

本发明涉及了碳包覆纳米空心铋单质的制备及其碱性电池应用研究，属于碱性电池技术领域。纳米金属铋虽具备良好的导电性及电化学特性，但在电解液环境中结构稳定性较差。为提高其稳定性及循环效率，我们提出了将纳米空心铋限制在碳微反应器内的有效方法，该方法具体为：首先，通过室温液相法合成出中空氟铋铵（NH₄Bi₃F₁₀）前驱体；接着，在室温下利用多巴胺分子聚合来实现前驱体的碳包覆；最后，对所得产物进行低温碳化处理，得到碳包覆纳米空心铋单质。当应用于碱性电池时，该复合物能表现出优越的倍率性能及循环耐久性。所涉及的制备过程非常简单，易实现规模化生产且产物结构性质稳定，具备实用化前景和商业价值。

技术领域

本发明属于碱性电池技术领域，具体涉及一种碱性电池负极材料的制备方法及应用。

背景技术

随着化石能源枯竭及环境恶化等问题日趋严重，绿色能源（包括风能，潮汐能和太阳能等）的开发与利用变得尤为重要。这些能源虽可转变成电能且具备可持续性，但其利用往往受制于时间、地点、天气等外界因素。为方便日常生活需求，发展电池系统来收集转换来的电能是当前最有效的策略。近年，锂电池已在可充电储能领域占据着主导地位。然而，当前锂电池却面临诸多严峻的问题，除了锂等矿藏资源匮乏外还包括电池爆炸、废旧电池污染及安全回收等，其问题的根源都与有机电解液的剧毒、易燃性相关。由此，开发安全的高性能电池是现今发展的重要趋势。

相比于锂电池，碱性电池的电解液为普通水溶液，廉价且低毒。目前，已有许多类可充放电碱性电池体系（包括镍-氢、镍-铁、镍-铋电池等）被提出。值得强调的是，新型铋基碱性电池正受到全球科研界的普遍关注，例如，武汉理工大学的刘金平课题组近期就在钛金属电极上直接生长了氧化铋纳米薄膜，并将其用在碱性电池储能领域。但不幸的是，几乎所有开发的铋系负极材料都为导电性较差的氧化物或氢氧化物，这将直接影响电池的快速充放电特性。相比较，金属铋单质具备更优异的导电性及电化学反应活性，且理论比容量远高于其它铋系氧化物/氢氧化物。然而，金属铋单质在电解液环境中易被腐蚀和氧化，其化学结构稳定性较差，这已成为该材料进一步应用和发展的致命问题。

为提高其稳定性，实现快速充放点功能的铋系碱性电池，我们提出了将纳米空心铋限制于碳微反应器内的有效合成方法，该方法具体为：首先，通过室温液相法合成出纳米中空氟铋铵（NH₄Bi₃F₁₀）前驱体；接着，在室温下利用多巴胺分子聚合来实现前驱体的包覆；最后，对所得产物进行低温碳化处理，即可制得碳包覆纳米空心铋单质。一方面，中空的金属铋纳米构型提供了较大的比表面积，使电极与电解液能充分地接触，加快了体系的电化学反应速率；另一方面，中空纳米金属铋与碳壳层形成了较好的协同效应。内部的金属铋具备优异的导电性及电化学活性，而外部的碳层则增强了铋内核的化学结构稳定性，有效地抑制了活性物的碎裂及团聚现象。值得强调的是，该制备方法及条件都非常简单，易实现规模化生产且产物结构性质稳定，具备实用化前景和商业价值。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于：（1）提供一种碳包覆金属纳米空心铋的制备方法；（2）提供一种钴/镍-铋高功率密度可充放电碱性全电池。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1. 碳包覆纳米空心铋单质的制备及其碱性电池应用，包括如下步骤：

（1）材料合成：以铋盐和氟盐为原材料，使它们在反应溶剂中反应，采用室温液相法和低温碳化处理得到碳包覆纳米空心铋复合负极材料；

（2）制备电极片：将负极材料、导电剂和粘接剂加入溶剂中，在室温条件下搅拌制得黑色粘稠状浆料，并将其涂抹于集流体电极上，干燥处理后得到碳包覆纳米空心铋单质的电极；

（3）电极活化与性能检测：利用循环伏安扫描方法，对（2）中制得的碳包覆纳米空心铋单质的电极进行活化；待活化完毕，对电极片进行不同倍率的恒流充放电及循环性能检测；