[发明专利]稀土烧绿石相氧化物及其制备方法和应用

说明书

本发明提供稀土烧绿石相氧化物及其制备方法和应用。所述稀土烧绿石相氧化物的化学式为A₂B₂O₇，A选自稀土元素的至少一种，B选自Si、Ge、Sn中的至少一种，所述制备方法包括以下步骤：将含有A元素的盐、M₂BO₃和NaOH的水溶液在100～250℃水热反应12～48小时，分离出固体，得到前驱体，其中M元素选自Na、K中的至少一种；将所得前驱体在500～700℃退火1～3小时，得到稀土烧绿石相氧化物。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种结构稳定、导电性好的稀土烧绿石相氧化物(尤其是烧绿石相的Ce₂Sn₂O₇)及其制备方法和应用。

背景技术

可充电锂离子电池目前在便携式电子产品市场中占据主导地位。大量的努力致力于开发高容量的负极材料，Sn基材料被认为是一种很有前途的锂离子电池负极材料，其理论比容量为1494mAh·g^-1。但是在实际应用中其比容量远远低于理论值，最关键的挑战是在锂离子插层和脱嵌过程中，SnO₂的体积变化很大而坍塌，从而导致容量严重衰退和倍率性能力变差。

为了适应充放电过程中的巨大体积变化，制备纳米结构的材料有助于减小体积变化，如纳米线、空心结构、薄膜、纳米片等。另一个更好的策略是将Sn基活性材料的纳米颗粒与导电材料复合来减小体积变化，如碳纳米管、石墨烯等。但是，由于循环过程中界面处的优先成核，金属Sn纳米颗粒易于发生团聚而失活，导致锂离子的迁移和可逆反应受到限制。总的来说，有效的Sn基活性材料更倾向于纳米化并用导电添加剂包裹。需要注意的是，纳米结构的活性材料需要改性成亚微米或微米级的二次粒子，以提高其在锂电池工业电极加工中的堆积密度和附着力。

根据结构开放性概念的模型，认为具有开放结构的烧绿石结构材料具有较高的稳定性。由于稀土氧化物导电性差，稀土烧绿石相氧化物(M₂Sn₂O₇，M＝稀土)作为锂离子电池负极的电化学行为也较差。考虑到Ce³⁺和Ce⁴⁺之间的快速转变，能够提高材料的电子导电性。但是稳定的Ce³⁺很难制备。因此制备出结构稳定、导电性好的烧绿石相的Ce₂Sn₂O₇仍然是个挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构稳定、导电性好的稀土烧绿石相氧化物及其制备方法和应用。

第一方面，本申请提供一种稀土烧绿石相氧化物的制备方法，所述稀土烧绿石相氧化物的化学式为A₂B₂O₇，A选自稀土元素的至少一种，B选自Si、Ge、Sn中的至少一种，所述制备方法包括以下步骤：

将含有A元素的盐、M₂BO₃和NaOH的水溶液在100～250℃水热反应12～48小时，分离出固体，得到前驱体，其中M元素选自Na和K中的至少一种；

将所得前驱体在500～700℃退火1～3小时，得到稀土烧绿石相氧化物。

制备得到稀土烧绿石相氧化物具有稳定的结构、优异的导电性，在锂离子电池及储能领域有着广阔的应用前景。

较佳地，A选自Ce、La、Yb、Pr中的至少一种。

较佳地，所述A元素的盐选自A元素的硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐中的至少一种。

较佳地，所述水溶液中，NaOH的摩尔浓度为0.1～0.5mol/L。

较佳地，所述前驱体在退火之前进行干燥，优选地，干燥温度为100～150℃。