[发明专利]分级铋纳米球/氮掺杂碳纳米网络复合材料制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种分级铋纳米球/氮掺杂碳纳米网络复合材料(Bi NSs/NCNs)的制备方法及其作为钾离子电池负极材料的应用。该复合材料的制备步骤如下：a、制备铋多孔纳米球(Bi PNSs)；b、将Bi PNSs与聚丙烯腈(PAN)混合，通过静电纺丝制备Bi PNSs/PAN纳米纤维；c、将得到的Bi PNSs/PAN纳米纤维在H₂/Ar气氛下退火得到Bi NSs/NCNs复合材料。作为钾离子电池的负极材料，Bi NSs/NCNs表现出较高的放电容量以及优异的倍率性能(在50A g^‑1电流密度下的容量仍高达510.2mAh g^‑1)和循环稳定性(在10A g^‑1电流密度下循环2000圈的容量仍为491.7mAh g^‑1)。本发明为研发综合性能优异的钾离子电池负极材料提供了新的思路。

技术领域：

本发明涉及一种分级铋纳米球/氮掺杂碳纳米网络复合材料(Bi NSs/NCNs)的制备方法及其作为钾离子电池负极材料的应用。

背景技术：

锂离子电池具有高的能量密度和功率密度，已被广泛应用于便携式电子器件、电动汽车等领域。但是，锂资源的储量有限且分布不均，限制了其在大规模储能领域的应用。近年来，钾离子电池受到越来越多的关注，这主要是由于钾的成本较低、储量丰富，钾离子电池与锂离子电池具有相同的存储机制。此外，钾具有和锂相近的氧化还原电位(-2.92Vvs.-3.04V)，因此表现出较高的放电平台和能量密度。但是，钾离子半径较大，导致钾离子电池表现出较差的电化学性能。目前，寻求具有高容量、长寿命和优异倍率性能的钾离子电池负极材料仍然是巨大的挑战。最近，科研人员研究了几类有前途的电化学储钾负极材料，比如：硬碳、金属(Sn,Sb,Bi等)、过渡金属硫族化合物(SnS₂,MoS₂,MoSe₂等)。据报道，金属Bi具有较大的层间距和较高的理论容量，是一种非常有潜力的钾离子电池负极材料。最近，香港理工大学的Zhang教授和南开大学的Chen教授通过研究发现，将块状的金属Bi用作钾离子电池负极材料表现出较高的放电容量。然而，这种直接将金属Bi用作电极材料仍存在不足：缺乏基底保护，循环性能较差；Bi颗粒尺寸较大，倍率性能较差等。

发明内容：

针对上述问题，本发明制备了一种分级铋纳米球/氮掺杂碳纳米网络复合材料(BiNSs/NCNs)，并将其用作钾离子电池负极材料。

Bi NSs/NCNs复合材料的结构为分级Bi纳米球锚定在相互交联的氮掺杂碳纳米纤维上，其中Bi纳米球呈仙人球状分布，即在较大尺寸的纳米球周围分布着一圈较小尺寸的球。该复合材料具有如下优势：第一，多孔的分级Bi纳米球锚定在相互交联的NCNs上，增大了比表面积，提供了更多活性位点，同时缩短了电子和离子的传输距离，多孔结构还为电解液提供了有效的扩散通道；第二，相互交联的NCNs有利于电子传输，可有效提高导电性，同时可以缓冲K⁺嵌入/脱嵌过程中Bi的体积变化；第三，NCNs中高的氮掺杂量(14.9at％)可有效提高导电性并增加活性位点，进一步增加对K的存储。因此，Bi NSs/NCNs作为钾离子电池的负极，表现出优异的电化学性能。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种分级铋纳米球/氮掺杂碳纳米网络复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a、制备Bi PNSs:将0.35～0.37g Bi(NO₃)₂·5H₂O和0.5～0.7g聚乙烯吡咯烷酮(分子量M_w＝10000)溶于10～12mL HNO₃(1M)和50～52mL乙二醇的混合溶液，搅拌均匀后将该溶液置于100mL的反应釜中150℃反应12h，将产物离心后用乙醇和水清洗3～5次，70～80℃真空干燥10～12h；