[发明专利]介孔空心碳纳米球原位生长三氧化钨纳米针簇复合材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种介孔空心碳纳米球原位生长三氧化钨纳米针簇复合材料及其制备方法和在制备锂离子电池负极中的应用。介孔空心碳纳米球原位生长三氧化钨纳米针簇复合材料中，WOsubgt;3/subgt;纳米针聚集在一起形成松散的簇状结构，构成WOsubgt;3/subgt;纳米针簇；WOsubgt;3/subgt;纳米针簇生长在介孔空心碳纳米球的空腔内部；介孔空心碳纳米球的壳内分布有使壳通透但可阻止WOsubgt;3/subgt;外泄的介孔通道。制备方法：通过溶液注入的方法向介孔空心碳纳米球内填入钨酸钠和六水硝酸钴，最后通过熔融反应使钨酸钠原位转变为三氧化钨，得到介孔空心碳纳米球原位生长三氧化钨纳米针簇复合材料。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种介孔空心碳纳米球原位生长三氧化钨(WO₃)纳米针簇复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

电动汽车和大型储能装置的快速发展对锂离子电池的性能提出了越来越高的要求。尽管石墨已广泛应用于锂离子电池负极，但石墨低的比容量和缓慢的插层动力学限制了高性能锂离子电池的进一步发展。

WO₃由于具有高质量比容量(693mAh g^-1)和高体积比容量(5274mAh cm^-3)、环境友好、低成本和高热稳定性等优点而被认为是一种潜在的锂离子电池负极材料。然而，WO₃的离子传递动力学较差，固有的电导率较低，导致其比容量和倍率性能较差。在充放电过程中WO₃的体积变化大，引发材料快速粉化，结构稳定性差，循环性能很不理想。这些问题极大地阻碍了WO₃在锂离子电池中的实际应用。

迄今为止，已经提出多种策略来解决WO₃的上述问题。纳米结构工程化和碳复合是比较有效的方法。公开号为CN112938952A的发明专利申请公开了石墨烯包覆二维片状结构WO₃负极材料。公开号为CN109616662A的发明专利申请公开了泡沫镍负载WO₃的一体化负极。公开号为CN108598439A的发明专利申请公开了WO₃/石墨烯的复合负极材料。总的说来，目前的复合结构难以十分有效地提高WO₃的储锂性能。大部分WO₃和碳基材料的复合结构不能有效锁住WO₃，一旦WO₃在循环期间粉化，仍然会从复合结构中脱落，导致循环性能快速衰退。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种介孔空心碳纳米球原位生长三氧化钨纳米针簇复合材料(本发明中亦可称之为WO₃@介孔空心碳纳米球)，具有合成工艺简单温和、结构独特、储锂性能优异等特点。

一种介孔空心碳纳米球原位生长三氧化钨纳米针簇复合材料，WO₃纳米针聚集在一起形成松散的簇状结构，构成WO₃纳米针簇；所述WO₃纳米针簇生长在介孔空心碳纳米球的空腔内部；所述介孔空心碳纳米球的壳上分布有使壳通透但可阻止WO₃外泄的介孔。

优选的，所述WO₃纳米针的厚度为1-20nm，长度为50-500nm。

优选的，所述介孔空心碳纳米球的外径为100-1000nm，壳厚为10-100nm；

优选的，所述介孔的尺寸小于10nm。

优选的，所述的介孔空心碳纳米球原位生长三氧化钨纳米针簇复合材料中，WO₃的质量百分占比为30％-90％。

优选的，所述介孔空心碳纳米球是RF树脂(酚醛树脂)分解而成的非晶碳材料。

本发明还提供了所述的介孔空心碳纳米球原位生长三氧化钨纳米针簇复合材料的制备方法，包括步骤：