[发明专利]一种过渡金属层状双金属氢氧化物碳纳米管复合材料制备及其在电池中的应用

说明书

本发明公开了一种过渡金属层状双金属氢氧化物碳纳米管复合材料的制备方法,包括以下步骤：将碳纳米管分散在HNO₃溶液中并水浴加热，取出碳纳米管依次用去离子水和无水乙醇进行洗涤，直到碳纳米管的pH＝7，干燥后得到预处理的CNTs；在碳纳米管上一步合成NiMn‑Cl LDH，真空干燥后即得到过渡金属层状双金属氢氧化物碳纳米管复合材料。本发明通过原位共沉淀法一步合成了具有分级结构的NiMn‑Cl LDH/CNT复合材料。本发明制备的复合材料有较高的离子扩散速率，倍率性能明显改善，提高了电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及便捷储能技术领域，具体涉及一种过渡金属层状双金属氢氧化物碳纳米管复合材料制备及其在电池中的应用。

背景技术

水随着人类社会的进步与工业的发展，全球能源消耗量逐年增长。这使得作为主要消耗能源的化石能源储存量不断减少，人们面临着化石能源供给短缺的问题。另一方面，由于传统化石能源的大量消耗，造成了严重的环境污染。大力发展和利用可再生能源，如风能、潮汐能、太阳能和地热能等对于解决各国能源供给短缺和环境污染问题具有重要的意义。开发大规模储能技术对于高效利用具有间隔性和随机性特点的可再生能源非常关键。二次电池的发展是储能技术进步的重要环节之一。

已成功商品化的二次电池主要为铅蓄电池、液流电池、镍氢电池和锂离子电池等。铅蓄电池技术比较成熟，其电池原料丰富，制造成本低廉，但缺点在于电池循环寿命短，且铅蓄电池的回收处理过程容易对环境造成污染。液流电池通过电解液在正负极之间单独循环，提高电化学反应效率。这类电池具有能量转换率高和循环寿命长的特点。但是由于该技术成本高昂，电池能量密度低，极大制约了液流电池的大规模应用。镍氢电池的缺点主要在于其耐高温性能差，在高温环境下，电池的寿命受到极大影响，而且高温会造成镍氢电池内部短路，发生自燃和爆炸。锂离子电池作为新型二次电池，具高能量密度高、循环寿命长、倍率性能优异、放电性能稳定等优点，被广泛应用于航空航天、通讯、电子设备、电动汽车等领域。市场扩大化使得锂离子电池的需求暴增，加之锂资源稀缺、分布不均导致锂离子电池成本不断上涨；而且锂离子电池多次循环后负极锂表面产生树枝柱状结晶(锂枝晶)会戳破隔膜，造成电池内部短路，带来自燃和爆炸的安全隐患。此外，锂离子电池能量密度的提升缓慢，无法进一步满足大规模储能器件的要求等。这些因素促使科研人员寻求一种电池原料丰富、安全可靠性高、电池能量密度大的新型二次电池。

目前，锂离子电池替代方案主要集中在基于阳离子传输的电化学体系，如Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Al³⁺等电池。层状金属氢氧化物(Layered Double Hydroxide，简称LDHs)在电催化、二次电池、超级电容器等能源转换和储能领域具有良好的应用前景。其晶体结构为层状，具有晶格能最低和晶格定位效应，由金属元素氢氧化物组成，主层为金属阳离子，过渡层为氢氧根离子，容易吸附其他阴离子，成分易于调节，同时可以与其他材料复合实现功能化。其中作为催化材料，LDHs可以为催化反应提供大的表面积，金属离子被认为是氢氧化物电催化活性中心，不同单金属对催化反应活性不尽相同，相比于单金属氢氧化物，双金属层状双氢氧化物可以为催化反应提供两种相互协同的金属活性中心，因此层状双金属氢氧化物被认为是理想的催化材料。申请号：201911159603.5的专利公开了一种过渡金属双氢氧化物纳米薄膜与碳纳米管复合材料的制备方法及应用，但该复合材料主要用于电解水，并且该复合材料在形貌上没有实现LDH纳米片在CNT上的垂直生长，没有最大程度利用CNT扩展LDH的接触面积，所以LDH/CNT复合物的倍率性能一般。所以需要一种过渡金属层状双金属氢氧化物碳纳米管复合材料，提高复合材料的比表面积，具有较高的子扩散速率，LDH/CNT复合物的倍率性能明显改善，提高电池的循环寿命。

发明内容