[发明专利]一种铋基纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种铋基纳米材料及其制备方法和应用，所述铋基纳米材料包含铋纳米颗粒和氮掺杂多孔碳纤维，所述氮掺杂多孔碳纤维包裹所述铋纳米颗粒，其制备方法包括步骤：将碳源、铋源和含氮造孔剂溶于溶剂中得到前体溶液，以所述前体溶液为原料制备纤维材料；对所述纤维材料进行预氧化后，在保护氛围下进行煅烧，得到铋基纳米材料。本发明所制备的铋基纳米材料具有优异的电化学性能，特别是超长的循环稳定性，优于相关技术所报道的铋基负极材料，在碱性电池中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种铋基纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会科技的发展，人们的衣住行都离不开能源的支撑。小到手机和平板电脑等物件，大到电动汽车、智能电网等都已成为生活中必不可少的部分。然而传统能源储量有限、开采成本越来越高已经成为当今社会不能忽视的问题。而新型能源如太阳能、风能的使用则对当时环境的依赖性较强，因此迫切需要开发高效环保的能源。

电池主要应用在三大产业，即电动汽车、储能和消费电子。围绕这三个方向，尤其近几年电动汽车和储能领域的迅速发展促使人们越来越关注安全、环保和高效能源存储技术的发展。近年来科学家对电池进行了大量的研究，例如传统的铅酸电池、镍镉电池、碱性电池(如Ni/Bi电池和Zn/Mn电池)，实用性强的锂离子电池、钠离子电池。相比其它电池，碱性电池因其具有环境友好、安全、成本低、能量密度高等优点而受到人们的青睐。遗憾的是目前使用的水性可充放电池的电极材料大部分都是金属氧化物或者氢氧化物，而这些化合物存在导电性差的缺点，导致电池的倍率性能差强人意。碱性电池的正极主要包括锰基、镍基以及钴基，负极材料主要包括铋基、锌基和铁基等。负极材料作为碱性电池的重要组成部分，应具有安全、无毒、低成本、电化学性能优异等特点。金属铋作为碱性电池负极在水性溶液中发生高度可逆氧化还原反应，具有合适的负电位工作区间，因此铋有望发展成为一种水性溶液中高性能的电极材料。但金属铋电极的循环稳定性很差，严重制约了该电极的进一步发展。

已报道合理设计及优化铋负极材料的主要方法有结构设计、表面改性等。例如以4,4-二苯并噁嗪基二苯二硫醚为前驱体，通过热裂解制得N,S双掺杂多孔碳材料作为α-Bi₂O₃的载体，与α-Bi₂O₃纳米纤维负载碳纳米管复合作为超级电容器电极材料。以BiCl₃和PAN为原料使用静电纺丝的方法制备Bi/C一维纳米纤维作为锂离子电池、钠离子电池负极。Zeng等人通过简单的原位活化法制备3D多孔Bi纳米颗粒/碳复合材料(P-B-C)实现了高质量负载量、高能量密度，提供了快速电荷转移和离子扩散渠道，具有良好的润湿性。高负载的P-B-C电极在6mA/cm²的电流密度下容量为2.11mAh/cm²(166mAh/g)。利用室温液相法合成前驱体后利用多巴胺分子聚合实现碳包裹最后进行低温碳化处理得到碳包裹金属纳米空心铋单质，应用于碱性电池。以0.005～5μm粒径的金属Bi粉末为负极材料的铋/氢氧化镍二次碱性电池。通过溶剂热法制备氧化铋/还原氧化石墨烯(Bi₂O₃@rGO)纳米复合材料，尺寸为5nm的单晶Bi₂O₃纳米颗粒被固定并均匀地分散在还原氧化石墨烯薄片上。这种纳米结构使得Bi₂O₃@rGO作为锂离子电池负极在600mA/g下经过100次电化学循环后容量保持为347.3mAh/g，容量保持率为79％。Zeng通过简单的电沉积方法，在柔性碳布上制备出具有单晶性质的分层铋结构，然后在200℃的氮气气氛下退火。单晶性质的三维Bi多级纳米结构在扫描电镜下可以看出碳纤维表面均匀生长出鱼骨样的Bi纳米结构，煅烧后未见形态发生改变，这种结构提供了更大的表面积和更多的活性位点。在4.5A/g的高电流密度下，容量为96.2mAh/g，当电流密度增加到45A/g时，可保留超过94％的容量。

尽管铋基负极电极材料的制备方法以及种类繁多，不过目前报道的铋基负极电极材料的容量以及耐久性依然有待改善。

发明内容