[发明专利]一种磷化钴生物质碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种磷化钴生物质碳复合材料的制备方法。本发明还公开了该磷化钴生物质碳复合材料及其应用，本发明通过采用电化学沉积将磷化钴与生物质碳膜复合，得到无需粘结剂的磷化钴/生物质碳集成电极，方法简单，操作方便，材料制备成本低廉；本发明首次将磷化钴与生物质碳材料复合得并应用于钠离子电池负极材料，复合材料电极的储钠性能优异，结构稳定。本发明制备的磷化钴/生物质碳复合材料可直接作为钠离子电池的负极材料无需另外添加粘结剂和活性碳，并能够显著提高钠离子电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及一种磷化钴生物质碳复合材料及其制备方法和应用，本发明同时还涉及该复合材料作为钠离子电池电极材料的应用，属于复合材料及电极材料领域。

背景技术

随着锂离子电池的开发和利用，锂元素在地壳中的储备量逐年降低。有资料显示，在地壳中锂资源只有0.002％，属于自然界中的一种稀有金属，且分布范围不均匀。这极大的限制了要求安全系数较高并且价格低的电力设备和长循环寿命的电池以及可再生能源的发展，所以，研发下一代价格合理、安全系数高、综合性能高的储能材料显得尤其重要，和锂资源对比，钠在全球的储量更为丰富，约占2.64％，在地壳中分布也更加广泛，更为重要的是，钠元素和锂元素同处于一个主族，物理和化学性质较为相似。因此，开发一种能代替锂离子电池的新型钠离子电池成为一种必然趋势。钠元素在地壳中的含量较高，价格低廉，钠离子电池的储能机理与锂离子电池类似，适合国家智能电网这样大规模储能技术的应用。而电极材料是钠离子电池技术发展的核心，其中生物质碳材料具有廉价易得，来源丰富，导电性高，在经过一定处理后可直接作为自支撑电极材料。

生物质碳材料为硬碳材料能够继承生物质前驱体的天然形貌形成多孔材料。目前，多孔材料作为电池的负极材料备受关注，其中随机堆叠的石墨烯层以及纳米孔能够实现钠离子的存储。生物质碳材料所具备的良好的循环性能以及导电性能，引起了研究者们的广泛关注。但生物质碳材料偏低的比容量(小于300mAh/g)影响了生物质碳材料作为电极材料的应用。磷化钴电极材料的理论比容量较高(大于500mAh/g)是较理想的钠离子电池的负极材料，但是在充放电的过程中其严重的体积变化会导致比容量的迅速衰减。因此，采用磷化钴与碳材料复合，发挥两种材料的优势既提高电极材料的比容量又实现材料的稳定性。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题在于提供一种简单易操作的电沉积法制备磷化钴生物质碳复合材料的方法。

本发明还要解决的技术问题是提供了该磷化钴生物质碳复合材料。

本发明最后要解决的技术问题是提供了该磷化钴生物质碳复合材料的应用。

技术方案：针对上述要解决的技术问题，本发明的技术方案如下：本发明提供了一种磷化钴生物质碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)生物质碳膜的制备：将广玉兰树叶置于800℃～1000℃环境温度下进行2～4小时退火处理，置于碱溶液中处理2～4小时，再置于酸溶液中处理6～10小时即得生物质碳膜；

(2)电解液的制备：将次磷酸钠与硫酸钠混合并溶于含有0.1～0.4M硫酸钴溶液中，用硫酸调节溶液的pH值，并保证pH值范围为2～3得到电解液；

(3)复合材料的制备：将步骤(1)得到的生物质碳膜作为工作电极，铂片作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，以步骤(2)得到的电解液作为电沉积电解液得到复合材料，所得到的复合材料用去离子水冲洗4～5遍；

(4)复合材料晶体结构的强化：将步骤(3)得到的复合材料置于氮气气氛下的管式炉内进行升温煅烧，煅烧后自然冷却至室温。

其中，所述碱溶液为2～3mol/L KOH水溶液。

其中，步骤(1)中，所述的酸溶液为1～2mol/L HCl水溶液。