[发明专利]一种锑/碳纤维复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锑/碳纤维复合材料及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：1)将碳纤维浸渍于锑盐溶液中，干燥后得到锑盐/碳纤维前驱体；2)将锑盐/碳纤维前驱体与一电源连接以形成闭合回路，所述闭合回路中，电流为1‑8A，电压为35‑38V，通电0.1‑3s后断开回路，得到锑/碳纤维复合材料。该复合材料中，尺寸为20‑50nm的Sb纳米粒子均匀分散并结合在碳纤维载体表面，从而Sb纳米粒子与电解液有更充分的接触面积，同时碳纤维基底材料可为超细Sb纳米粒子提供导电网络状结构。该锑/碳纤维复合材料作为钾离子电池负极材料具有优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及纳米材料与电化学技术领域，尤其涉及一种锑/碳纤维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

电极材料一直是电池的重点研究对象。与金属锂和钠类似，金属钾能与多种元素(如Si、 Sn、Sb等)形成合金。例如，Si作为锂离子电池负极形成合金时，理论容量高达4200mAh g^-1， Sn合金可达到990mAh g^-1。最初，有关于钾离子电池的合金负极研究较少，至2015年Wu 等人合成Sb-C纳米复合材料应用在钾离子电池中形成了K₃Sb合金，其提供了650mAh g^-1的可逆容量。虽然这类负极材料的理论比容量普遍比较高，但在K⁺嵌入之后会发生较大的体积变化。合金化反应的体积膨胀问题较严重，材料的粉化依然是造成合金负极难以满足人们需求的关键因素。针对以上问题可采取的措施有：

(1)设计合成具有新颖微观形貌、结构和多孔特性的纳米材料。纳米材料具有表面活性位点多、比表面积大和反应活性高等特点，所以纳米结构的构筑也被视为高安全性、高能量密度和长循环寿命钾离子电池电极材料的有效手段。此外，纳米结构的负极材料可以缓解体积膨胀效应对电极结构的影响，抑制电极发生坍塌和粉粹，从而显著提高电化学反应的活性，以改善电极材料的储钾特性。

(2)引入碳基材料。将化合物材料与高导电性的碳材料复合，导电性良好的碳材料可以起双重作用，不仅可以作为导电剂提高整个复合物的导电性，加快离子和电子的传输速率，同时也可以作为缓冲层或支撑基体使化合物材料的结构维持稳定，并实现电化学性能的提升。

目前常见的合成纳米材料的方法有水热法、溶剂热法、球磨法和高温烧结等，这些方法可以很好的控制纳米材料的尺寸、相和结构，还可以制备出分布在衬底上的纳米粒子。尽管这些方法在制备纳米材料方面已取得了一定的成功，但在溶剂热法中，环境不友好的溶剂和分散剂，以及在高温路线中的连续热力学气氛可能对制造高性能的高能纳米颗粒具有负面影响，设计和制备良好的支撑纳米材料的分散性仍然面临着巨大的挑战；利用球磨法合成纳米粒子虽较均匀，但所需时间较长；高温烧结法其升温、降温速率较慢(最多可达40℃/min)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单高效的锑/碳纤维复合材料的制备方法，以及所制备的锑/碳纤维复合材料作为钾离子电池负极材料的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种锑/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将碳纤维浸渍于锑盐溶液中，使锑盐附着于碳纤维上，再取出干燥以去除碳纤维上的溶剂，得到锑盐/碳纤维前驱体；

2)将锑盐/碳纤维前驱体与一电源连接以形成闭合回路，所述闭合回路中，电流为1-8A，电压为35-38V，通电0.1-3s后断开回路，得到锑/碳纤维复合材料。