[发明专利]一种Bi-MOF衍生的氧化铋基负极材料及其制备与应用

说明书

本发明涉及一种Bi‑MOF衍生的氧化铋基负极材料及其制备与应用，该负极材料通过以下方法制备而成：(1)取CAU‑17在惰性气体保护下进行高温一次退火，冷却至室温，得到Bi@C；(2)将Bi@C在空气气氛中继续进行二次退火，冷却，得到Bi‑Bisubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;@C，即为氧化铋基负极材料。本发明Bi‑Bisubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;@C复合材料作为温和的水系电池型电极具有一系列优点，相对于纯Bisubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;电极有增强的结构稳定性，更低的过电位以及更高的容量；相对于Bisubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;@C电极则具有增强的电导率和离子扩散动力学等。

技术领域

本发明属于水系电池型负极材料制备技术领域，涉及一种Bi-MOF衍生的氧化铋基负极材料及其制备与应用。

背景技术

为了满足新能源汽车和便携式电子产品不断增长的需求，开发具有高功率密度和能量密度的储能设备是解决上述问题最有前景的方法之一。考虑到传统可充电电池在功率密度方面较低的局限性，研究人员开始将注意力集中在新型电池电容混合器件(Battery-supercapacitor hybrid devices,BSHs)的开发上，该设备通常由电池型负极和电容型正极组成。根据电解液的成分，电池电容混合器件可以分为水系器件与有机系器件。与有机电解质相比，水系BSHs因其安全性高、环境友好性强和离子电导率高等特点而显示出巨大的潜力。更重要的是，使用温和电解质(含金属盐作为溶质)的水性BSHs不仅更适用于电网级的储能领域，而且更适用于可穿戴和具有生物相容性的器件应用。不幸的是，关于电池电容混合器件的电池型负极探索仍处于起步阶段，寻找合适的具有高容量的电池型负极是构建具有优异电化学性能的温和水系BSHs的核心任务。与传统电池型负极材料相比，Bi₂O₃基材料具有更高的理论容量(345.11mAh g^-1)，其独特的“准转化反应”机制显示出作为温和水系电池型负极的潜力。根据能量密度的计算方程式E＝1/2CV²，电池电容混合器件可以通过提高器件的工作电位窗口(V)或器件的比容量(C)来提高器件整体的能量密度(E)。因此，Bi₂O₃超宽的工作电位窗口有效避免了水分解的情况，这也为制备实现高能量密度的水系BSHs奠定了基础。然而，三个主要瓶颈限制了Bi₂O₃在温和水系电解质中的实际应用：首先，Bi₂O₃是典型的p型半导体，其本身的导电性比较差。其次，Bi₂O₃基负极循环稳定性通常较差，因其在氧化还原反应的过程中同时发生结构崩塌和重组，这可能会减少离子扩散路径并破坏电极材料内部的电子传导。最后，与强碱性的电解质相比，温和水系电解质中较低浓度的OH^-也可能会阻碍电极从Bi到Bi₂O₃的转化过程。