[发明专利]一种三维簇状锑材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维簇状锑材料及其制备方法和应用，所述三维簇状锑材料由铜箔，以及设置于铜箔表面的三维簇状形貌的锑层组成，所述三维簇状锑材料中，锑的负载量为0.5‑2mg/cmsupgt;2/supgt;；所述制备方法为先在铜箔表层形成三维簇状形貌的Cu，然后采用隔膜电沉积的方法，将铜箔作为阴极，于铜箔表面沉积锑，即获得三维簇状锑材料，本发明制得的簇状铜集流体具有一维稳定的导电通路，为负极的电子传输提供保障；所得到的负极材料无需填充粘结剂和导电材料；所得到的负极材料容量高，循环性能优良，具有稳定的充放电平台。

技术领域

本发明属于钠离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种三维簇状锑材料及其制备方法和应用。

背景技术

新能源汽车和智能电子设备行业的快速发展，对储能设备的比容量提出了更高的要求，然而目前主要采用的石墨电极负极材料理论容量较低，仅为372mAh/g，使得储能电池的比容量较低，难以满足愈发严苛的行业要求。此外，目前商业化应用的负极制备工艺也难以满足低成本生产的需要，使得电池成本偏高。因此，开发一种高比容量、短流程、低成本的负极材料制备工艺，具有重大意义。

作为一种合金化负极材料，锑主要与钠发生合金化反应，表现出660mAh/g的比容量。此外，锑基材料还具有工作电压较低(1V)、导电率较高等优点(2.5×10^-4S/cm)，是一种极具潜力的储能电池负极材料。然而，锑电极在与钠合金化过程中往往伴随巨大的体积膨胀(390％以上)。直接将商业锑粉用作负极，会使负极活性材料粉化，从集流体上脱落，导致负极容量迅速降低。而由于锑在柠檬酸体系和酒石酸体系的溶液中下溶解度有限，直接在柠檬酸体系和酒石酸体系的溶液中于集流体上沉积锑，阳极钝化现象严重，所得材料用作负极时经电化学测试及后续实际应用发现电化学性能较差，经10多次充放电循环后，负极材料表面粉化严重。

发明内容

针对现有锑基负极材料存在的体积膨胀效应，导致电池的循环性能差的问题，本发明的目的在于提供一种三维簇状锑材料及其制备方法和应用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种三维簇状锑材料，由铜箔，以及设置于铜箔表面的三维簇状形貌的锑层组成，所述三维簇状锑材料中，锑的负载量为0.5-2mg/cm²。

本发明提供的三维簇状锑材料，锑层的形貌为三维簇状，发明人发现，这种形貌对于体积膨胀具有很好的缓解性能，可以避免材料的粉化脱落，提升材料的电化学性能。

在本发明中，将锑的负载量控制在上述范围内，所得三维簇状锑材料的电化学性能最优，而若锑的负载量过多，锑层的厚度增加，受到体积膨胀、收缩过程中应力的影响增加，容易粉化脱落，导致材料失活，负载量减少，得到的材料的能量密度不高。

优选的方案，所述三维簇状锑材料中，锑的负载量为0.6-1.8mg/cm²。在该优选范围内，最终所得三维簇状锑材料性能最优。

优选的方案，所述铜箔表层为三维簇状形貌的Cu。

本发明一种三维簇状锑材料的制备方法，先在铜箔表层形成三维簇状形貌的Cu，然后采用隔膜电沉积的方法，将铜箔作为阴极，于铜箔表面沉积锑，即获得三维簇状锑材料，所述隔膜电沉积时，阴极室与阳极室采用阴离子膜分开，阴极室与阳极室中的电解液均为含三氯化锑的溶液。

本发明的制备方法，先通过在铜箔表层形成三维簇状形貌的Cu，这种三维簇状铜的微观形貌为，一维纳米线结构的集合体，锑镀层在这种纳米线结构的铜上生长，获得三维簇状的锑层。这种纳米线结构可为电子传输提供快速的传输路径；提供更高的比表面积，增大锑与电解液的接触面，加快电子传输，即提高材料的倍率性能；同时，一维纳米线结构组成的三维簇状形貌对体积膨胀具有更好的缓解性能，避免材料的粉化脱落。

优选的方案，在铜箔表层形成三维簇状形貌的Cu的过程为：包括如下步骤：