[发明专利]一种化学键增强的包埋单分散纳米合金颗粒的银耳状多孔碳球及制备与应用

说明书

本发明属于电池负极材料的技术领域，公开了一种化学键增强的包埋单分散纳米合金颗粒的银耳状多孔碳球及制备与应用。方法：1)采用水将有机铋盐、有机锑盐、水溶性碳源和氯化钾配成溶液，获得前驱体溶液；通过去除前驱体溶液中溶剂将前驱体溶液制成前驱体微球；2)在保护性氛围中，将前驱体微球进行煅烧，获得前驱体碳球；3)将前驱体碳球浸渍于水中，洗涤，干燥，获得包埋单分散铋锑合金纳米颗粒的银耳状多孔碳球。本发明的方法简单，所获得碳球为银耳状多孔碳球，纳米合金颗粒包埋于银耳状多孔碳球的二维碳片中。本发明的碳球具有较好的电化学性能。本发明的银耳状多孔碳球用于钾离子电池负极和/或钠离子电池负极。

技术领域

本发明属于电池负极材料的技术领域，具体涉及一种化学键增强的纳米铋锑合金颗粒包埋于银耳状多孔碳球及其制备方法与应用。所述化学键增强的纳米铋锑合金颗粒包埋于银耳状多孔碳球在钾离子电池和/或钠离子电池中的应用，用作钾离子电池和/或钠离子电池负极材料。

背景技术

当前，随着社会经济及科技的发展，人类对化石能源的消耗日益增长，由此造成的环境污染及能源紧缺问题成为当前的重大挑战。可充电电池作为一种二次电池储能系统，能够将一些可再生资源转化为电能储存起来用于各种用电器，具有清洁、便携等特点，可充电电池已经成为有望代替化石能源的重要工具。其中，钾离子和钠离子电池相比于当前广泛应用的锂离子电池，成本更低，资源更丰富。然而，目前钾离子和钠离子电池还很难实现工业化应用，原因之一在于钾离子和钠离子负极材料很难兼具高容量和大电流下稳定的循环性能。

一般来说，相比于碳材料，金属基材料具有较高的理论容量，如：金属铋。金属铋具有高理论容量成为十分有前景的负极材料。然而，其也面临着金属基材料普遍面临的问题，即充放电过程中体积变化巨大，材料容易发生破碎并脱离集流体，造成容量急剧下降。虽然通过高温煅烧实现碳包覆或材料纳米化是当前对金属基材料普遍使用的改进方法。但是，一方面，对于铋这种低熔点(271.4℃)金属来说，高温煅烧过程中往往熔化聚集，导致金属颗粒尺寸过大，充放电过程中体积膨胀巨大，从而导致材料破碎，或者融化的金属从碳基体中流出，出现在碳材料表面，碳材料起不到包覆、约束的作用。另一方面，金属颗粒和碳材料之间往往结合力很弱，循环过程中容易从碳基体中脱落，造成材料的容量损失。因此，开发一种具有长寿命、高倍率性能的钾/钠离子电池负极材料具有十分重要的意义。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明目的在于提供一种化学键增强的包埋单分散纳米合金颗粒的银耳状多孔碳球及其制备方法。本发明采用铋锑合金化和原位碳化相结合的方法，合成了包埋单分散BiSb合金纳米颗粒的银耳状多孔碳球。本发明所制备的银耳状多孔碳球合金纳米颗粒用于钾离子和/或钠离子电池负极时，具有超长的循环寿命和优异的倍率性能。

针对金属铋熔点低，容易在碳化过程中熔化、聚集、流淌的问题，本发明将金属铋与金属锑进行复合，抑制了低熔点铋的流淌聚集。同时，本发明采用有机铋盐和有机锑盐作为前驱体，热解过程中有机框架先在离子周围形成碳框架，之后再将金属离子还原成单质，能够有效限制金属聚集成大颗粒，形成纳米级分散的铋锑合金颗粒。

针对金属颗粒和碳基体间结合力弱的问题，本发明采用KCl，促进金属和碳基体间M-O-C键的形成，大大提高金属颗粒和碳基体间的结合力。

本发明的另一目的在于提供上述化学键增强的包埋单分散纳米合金颗粒的银耳状多孔碳球在钾离子和/或钠离子电池负极中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种化学键增强的包埋单分散纳米合金颗粒的银耳状多孔碳球的制备方法，包括以下步骤：

1)采用水将有机铋盐、有机锑盐、水溶性碳源和氯化钾配成溶液，获得前驱体溶液；通过去除前驱体溶液中溶剂将前驱体溶液制成前驱体微球；

2)在保护性氛围中，将前驱体微球进行煅烧，获得包埋单分散铋锑合金纳米颗粒的前驱体碳球；