[发明专利]SnSb纳米粒子/三维氮掺杂纳米多孔碳复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种SnSb纳米粒子/三维氮掺杂纳米多孔碳复合材料的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用。该复合材料的制备步骤如下：a、制备沸石咪唑类骨架结构材料(ZIF‑8)；b、将ZIF‑8在高温下碳化并用酸刻蚀得到3D‑NPC；c、利用化学还原法，将锡锑合金分散到3D‑NPC中，得到SnSb/3D‑NPC复合材料。该复合材料作为钠离子电池的负极材料表现出优异的循环稳定性和倍率性能，在5A g^‑1电流密度下循环15000圈的容量仍保持为266.6mAh g^‑1；在20A g^‑1电流密度下的容量高达359.1mAh g^‑1。本发明为提高钠离子电池负极材料的综合性能提供了新的思路。

技术领域：

本发明涉及一种SnSb纳米粒子/三维氮掺杂纳米多孔碳(SnSb/3D-NPC)复合材料的制备方法及其作为钠离子电池负极材料的应用。

背景技术：

钠离子电池在将来有望替代锂离子电池，这主要由于其具有资源丰富、成本较低和环境友好等优势。但是，相对于Li⁺，Na⁺的半径较大，导致Na⁺在电极材料嵌入/脱出的过程中动力学缓慢。作为目前商用锂离子电池负极材料的石墨，其在钠离子电池中的理论容量(35 mAh g^-1)不及在锂离子电池(372mAh g^-1)中的十分之一，也不适用于可逆的钠存储。因此，寻找具有高的能量密度和功率密度的钠离子电池负极材料迫在眉睫。金属Sn和Sb的理论容量都很高，分别为847(Na₁₅Sn₄)和660mAh g^-1(Na₃Sb)，且具有合适的嵌钠电极电位和高的电子电导性，被认为是极具潜力的负极材料。然而，Sn和Sb在Na⁺嵌入/脱嵌过程中会产生高达424％和390％的体积变化，极易导致电极粉化、结构坍塌，使容量快速衰减，严重制约了其实际应用。为了解决这一难题，人们一方面通过将其与高电导的弹性衬底进行复合，比如石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维等；另一方面，通过设计新颖的结构来缓冲体积变化，比如中空结构。此外，利用Sn和Sb的嵌钠电位的不同，合金化能够减轻在循环过程中巨大的体积变化。这也使得SnSb合金成为一种非常有潜力的钠离子电池负极材料。

近年来，为了提高SnSb合金的电化学性能，国内外科学家进行了一系列尝试，主要策略分为以下两种：(1)制备具有独特纳米结构的SnSb合金，比如纳米多孔SnSb合金；(2)将SnSb合金与碳材料进行复合，比如SnSb/氮掺杂的碳。目前关于SnSb基复合材料的研究已经取得了一些重要成果，Zhang等人合成的纳米多孔SnSb合金在10Ag^-1电流密度下的容量高达458.2mAh g^-1；He等人将SnSb纳米粒子(直径小于15nm)包覆在三维氮掺杂的多孔石墨烯中，作为钠离子电池负极材料在10Ag^-1下循环4000圈的容量仍可保持190mAh g^-1； Zhou等人将超小的SnSb纳米粒子(直径小于20nm)嵌入氮掺杂的多孔碳纳米线中，作为钠离子电池负极材料在2Ag^-1下循环10000圈的容量仍可保持180mAh g^-1。但是，为了满足高功率电动汽车和大规模储能领域不断增长的需求，并在与锂离子电池以及其它新兴电池技术的竞争中占据优势，SnSb基材料的倍率性能和循环寿命还需进一步提高，相应的Na⁺存储与传输机理也有待深入研究。因此，亟需设计新的SnSb基复合材料，探索新的改进方法，不断提高电极的综合电化学性能。但是，目前有两方面问题亟待解决：(1)如何制备超小的 SnSb纳米粒子(比如直径小于5nm)以获得大的比表面积并缩短Na⁺扩散距离；(2)如何选择合适的衬底(目前主要指碳材料)以提高电极材料的导电性和结构稳定性。因此，本发明将致力于解决上述问题，制备可用于钠离子电池负极的复合材料。

发明内容：