[发明专利]一种锑-碳纳米管-碳复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种锑/碳纳米管/碳复合材料、制备方法及其在锂离子或钠离子电池负极材料中的应用。所述复合材料呈纳米棒状，其中，锑纳米颗粒均匀分布于原位合成生成的碳基层中。制备方法为：用硫酸和硝酸的混合溶液处理原始多壁碳纳米管，得到酸化的碳纳米管；将酸化的碳纳米管、聚乙二醇与十二烷基硫酸钠溶解，然后加入三氯化锑，再将氢氧化钠溶液逐滴加入到前述混合溶液中加热、保温；冷却后洗涤、干燥，得到三氧化二锑/碳纳米管前驱物；将其与有机高分子聚合物混合均匀，充分研磨后在惰性气氛中煅烧得到锑/碳纳米管/碳复合材料。本发明制备工艺简单，合成条件易控制，产品具有较高的比容量，良好的充放电效率、循环效率及高倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种锂离子及钠离子电池负极材料锑/碳纳米管/碳(Sb-CNT-C)复合材料、制备方法及应用，属于储能材料技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，能源问题日趋严峻，解决能源问题关键在于寻找绿色高效的可再生资源。二次电池由于其能量利用率高、循环寿命长而得到了迅猛的发展。在众多的二次电池体系中，锂离子电池由于具有工作电压高、比容量高、循环寿命长、无记忆效应且环境友好等诸多优点而被广泛应用在便携式电子设备及电动汽车上。商业化锂离子电池负极材料石墨类碳具有良好的可充电性能和安全性能，但其较低的比容量(372mAh/g)已不能满足高能量密度锂离子电池发展的要求。锑基负极材料具有较高的理论比容量(660mAh/g)，其锂化电势平台平稳维持在0.85V左右，高于石墨材料的锂沉积电位(0.045V)，可有效避免锂枝晶的生成，因而作为锂离子电池及钠离子电池负极材料可以提高电池的安全性能。然而，锑在锂离子的嵌入/脱出过程中，会发生严重的体积膨胀现象，致使容量的快速衰减，这限制了锑负极材料在电池中的实际应用。为了解决锑基材料存在的问题，可将锑单质与碳材料进行复合并纳米化。例如，纳米棒，纳米球或锑/碳纳米纤维。这些纳米结构一方面可以缩短锂离子和电子扩散距离，另一方面也可以缓冲体积膨胀问题。在一定程度上，尽管上述方法均可以弥补锑电极存在的不足，但是也存在制备工艺复杂，原料价格昂贵，形貌不规则以及容量衰减较快等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种锑/碳纳米管/碳复合材料、制备方法及应用，其制备工艺较简单，合成条件较易控制；制得的锑/碳纳米管/碳复合材料具有较高的比容量，良好的充放电效率、循环效率及高倍率性能。

为了解决上述问题，本发明提供了一种锑/碳纳米管/碳复合材料，其特征在于，所述复合材料呈纳米棒状，其中，锑纳米颗粒均匀分布于原位合成生成的碳基层中。

本发明还提供了一种上述锑/碳纳米管/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：50～100℃条件下，用硫酸和硝酸的混合溶液处理原始多壁碳纳米管0.5～2h，然后进行稀释、抽滤、洗涤、干燥，得到酸化的碳纳米管；

步骤2)：将酸化的碳纳米管、聚乙二醇与十二烷基硫酸钠按比例溶解于无水乙醇中，超声，使碳纳米管分散均匀，然后加入三氯化锑，搅拌使其溶解，再将氢氧化钠溶液逐滴加入到前述混合溶液中，搅拌后转移至聚四氟乙烯内衬的高压釜中，升温至120～180℃后保温12～48h；待冷却至室温后进行洗涤、离心、干燥，得到三氧化二锑/碳纳米管前驱物；

步骤3)：将三氧化二锑/碳纳米管前驱物与有机高分子聚合物混合均匀，充分研磨后在惰性气氛中煅烧得到锑/碳纳米管/碳复合材料，其中，煅烧温度为300～600℃，煅烧时间为1～10h。

优选地，所述步骤1)中硫酸与硝酸的体积比为1:1。

优选地，所述步骤2)中酸化后的碳纳米管、聚乙二醇、十二烷基硫酸钠与无水乙醇的比例为0.01g～0.1g:1g:1g:40mL；酸化后的碳纳米管与三氯化锑的质量比为0.01～0.1:1。

优选地，所述步骤2)中氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L。

优选地，所述步骤2)中聚乙二醇采用PEG 200。