CN110615475B - 一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备及其作钠离子电池负极的应用 - Google Patents

一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备及其作钠离子电池负极的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备及其作钠离子电池负极的应用，将二氧化硅研磨后加入到去离子水中并溶解，得溶液A；将三氯化锑加入到乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入氢氧化钠水溶液调节其pH，得溶液B；将溶液A加入到溶液B并搅拌，得溶液C；将活化后的碳布置于溶液C中浸渍，将溶液C和碳布转至反应釜中水热反应，冷却至室温取出碳布，清洗烘干得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。其操作简单、成本低及能够将硅材应用到钠离子电池负极材料中。

Description

一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备及其作钠离 子电池负极的应用
技术领域
本发明属于新能源材料技术领域，涉及一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备及其作钠离子电池负极的应用。
背景技术
金属氧化物作为比较常见且价格低廉的材料由于具有高的理论容量被广泛研究。金属氧化物在电池充放电过程中，发生转换反应和合金化反应。但是在反复脱嵌钠的过程中会发生严重体积膨胀，从而导致容量衰减厉害，影响电池的循环稳定性。这也是要攻克氧化物作电极材料的一大难题，为此研究者们设计出各种解决途径，如与碳材料复合、设计成包覆结构和核壳结构等，试图去解决这一难题。
近年来，有研究发现在锂离子电池负极材料中掺入二氧化硅可提高电池的循环稳定性。Li J等以PVC为碳源，合成出SiO2/C作锂离子电池负极材料，在100mAg-1的电流密度下,循环200圈后，可逆容量维持在695mAh g-1。(Facile synthesis of SiO2/C anodeusing PVC as carbon source for lithium-ion batteries[J].Journal ofMaterialsScience:Materials in Electronics,2018)。Prasath A等通过溶胶凝胶法法制备了一种SiO2/Co3O4锂离子电池负极材料(Sol-gel-assisted preparation of SiO2@Co3O4heterostructure from laboratory glass waste as a potential anode forlithium-ion battery[J].Journal of Sol-Gel Science and Technology,2019)。SiO2@Co3O4作锂离子电池负极，在0.5C的电流密度下，循环50圈后，可逆容量维持在507mAh g-1。
二氧化硅是一种无定型、无毒、无味、无污染的白色粉末状非金属材料，作为一种优良的结构和功能材料，在陶瓷、塑料、橡胶和催化剂等许多领域有着广泛的应用。然而，硅材料通常被认为不适合做钠离子电池负极材料，故二氧化硅应用到钠离子电池负极的还鲜有报道。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种操作简单、成本低和能够将硅材应用到钠离子电池负极的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备及其作钠离子电池负极的应用。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，包括以下步骤：
步骤1：将0.038～0.15g二氧化硅加入到15～25ml去离子水中并溶解，得溶液A；
步骤2：将0.3～1.1g三氯化锑加入到20～40mL乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入氢氧化钠水溶液调节其pH至8～14，得溶液B；
步骤3：将溶液A加入到溶液B并搅拌，得溶液C；
步骤4：将活化后的碳布置于溶液C中浸渍，将溶液C和碳布转至反应釜中在150～180℃下水热反应，冷却至室温取出碳布，清洗烘干得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。
进一步的，步骤1中溶解为采用超声处理1～2h。
进一步的，步骤2中强碱溶液为0.06g/mL的氢氧化钠水溶液。
进一步的，步骤3中搅拌为磁力搅拌30～120min。
进一步的，步骤4中活化为在在20g/L的磷酸二氢钠水溶液中，在电解电压为3～8V下阳极氧化2～15min。
进一步的，步骤4中浸渍的时间为20～60min。
进一步的，步骤4中反应釜为聚四氟乙烯釜，溶液C和碳布转至聚四氟乙烯釜并置于均相反应仪中水热反应12～48h。
进一步的，步骤4中清洗为采用去离子水和乙醇清洗。
进一步的，基于所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料作钠离子电池负极的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备及其作钠离子电池负极的应用，本发明中将二氧化硅水溶液与三氯化锑乙醇溶液共混后并置入活化后的碳布经水热反应，合成出五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料，其突破性的将SiO2材料应用到钠离子电池负极材料领域，该方法操作简单，成本低，绿色环保；由于对于锑而言Sb2O5比Sb2O3具有更高的化合价，作钠离子电池负极材料可提供更多的电子参与反应，进而表现出更高的比容量性质；对碳布进行活化处理，使碳布活化出更多活性碳原子，活性碳原子在后期的水热反应时能与五氧化二锑生成C-Sb键，其结合更牢固；SiO2与Sb2O5共混，在充放电的过程中，SiO2能够缓冲Sb2O5的体积效应，吸收因Sb2O5体积巨大变化而产生的应力，提高材料的循环性能，使得Sb2O5作钠离子电池更稳定。将制备的该电极材料应用到电池领域，具有高的电化学循环稳定性，在钠离子电池负极材料应用领域前景广阔。
附图说明
图1为实施例1所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料的X-射线衍射图谱；
图2为实施例1所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料的扫描电镜照片；
图3为实施例1所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料的200圈循环后的扫描电镜照片；
图4为实施例1所制备的掺有二氧化硅的五氧化二锑/碳布和无掺杂二氧化硅的五氧化二锑/碳布的柔性钠离子电池负极材料电化学循环性能比较图；
图5为实施例1所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料的400圈循环的电化学循环性能图。
具体实施方式
下面给出具体的实施例。
实施例1
一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，包括以下步骤：
步骤1：将0.038g二氧化硅颗粒研磨后加入到20ml去离子水中超声处理1h并溶解，得溶液A；
步骤2：将0.57g三氯化锑加入到20mL乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入0.06g/mL氢氧化钠水溶液调节其pH至8，得溶液B；
步骤3：将溶液A加入到溶液B并磁力搅拌30min，得溶液C；
步骤4：将在20g/L的磷酸二氢钠水溶液，电解电压为3V下阳极氧化15min活化后的碳布置于溶液C中浸渍30min，将溶液C和碳布转至聚四氟乙烯釜中并置于均相反应仪中在180℃下水热反应12h，冷却至室温取出碳布，采用去离子水和乙醇反复清洗后烘干，得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。
如图1所示，为用日本理学D/max2000PCX-射线衍射仪分析的Sb2O5/SiO2/碳布的XRD谱图，在图中Sb2O5与PDF编号为11-0690的标准卡片对应，SiO2与PDF编号为76-0933的标准卡片对应。图2为用美国FEI公司S-4800型的场发射扫描电子显微镜进行观察，可以看出所制备的Sb2O5/SiO2/碳布生长均匀。图3为该材料组装成钠离子电池后，循环200圈，拆下测试的微观形貌，发现体积变化不明显，这也是其能保持循环稳定性的一个重要原因。
基于所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料作钠离子电池负极的应用，如图4所示，在0.01～3V的电压范围，100mA g-1的电流密度下，Sb2O5/SiO2/碳布和未添加SiO2的Sb2O5/碳布作钠离子电池负极材料，组装电池，测试循环性能发现表现添加了SiO2的电池循环稳定性有所提高。
如图5所示，在0.01～3V的电压范围，100mA g-1的电流密度下，Sb2O5/SiO2/碳布作钠离子电池负极材料，组装电池，循环400圈后比容量仍能保持在500mAh g-1。
实施例2
一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，包括以下步骤：
步骤1：将0.075g二氧化硅颗粒研磨后加入到15ml去离子水中超声处理1h并溶解，得溶液A；
步骤2：将0.3g三氯化锑加入到20mL乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入0.06g/mL氢氧化钠水溶液调节其pH至12，得溶液B；
步骤3：将溶液A加入到溶液B并磁力搅拌20min，得溶液C；
步骤4：将在20g/L的磷酸二氢钠水溶液，在电解电压为6V下阳极氧化8min活化后的碳布置于溶液C中浸渍60min，将溶液C和碳布转至聚四氟乙烯釜中并置于均相反应仪中在150℃下水热反应24h，冷却至室温取出碳布，采用去离子水和乙醇反复清洗后烘干，得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。
基于所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料作钠离子电池负极的应用。
实施例3
一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，包括以下步骤：
步骤1：将0.15g二氧化硅颗粒研磨后加入到25ml去离子水中超声处理2h并溶解，得溶液A；
步骤2：将1.1g三氯化锑加入到40mL乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入0.06g/mL氢氧化钠水溶液调节其pH至9，得溶液B；
步骤3：将溶液A加入到溶液B并磁力搅拌60min，得溶液C；
步骤4：将在20g/L的磷酸二氢钠水溶液，在电解电压为8V下阳极氧化2min活化后的碳布置于溶液C中浸渍30min，将溶液C和碳布转至聚四氟乙烯釜中并置于均相反应仪中在180℃下水热反应24h，冷却至室温取出碳布，采用去离子水和乙醇反复清洗后烘干，得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。
基于所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料作钠离子电池负极的应用。
实施例4
一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，包括以下步骤：
步骤1：将0.038g二氧化硅颗粒研磨后加入到18ml去离子水中超声处理1h并溶解，得溶液A；
步骤2：将0.57g三氯化锑加入到20mL乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入0.06g/mL氢氧化钠水溶液调节其pH至10，得溶液B；
步骤3：将溶液A加入到溶液B并磁力搅拌40min，得溶液C；
步骤4：将在20g/L的磷酸二氢钠水溶液，在电解电压为5V下阳极氧化10min活化后的碳布置于溶液C中浸渍20min，将溶液C和碳布转至聚四氟乙烯釜中并置于均相反应仪中在180℃下水热反应48h，冷却至室温取出碳布，采用去离子水和乙醇反复清洗后烘干，得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。
基于所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料作钠离子电池负极的应用。
实施例5
一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，包括以下步骤：
步骤1：将0.075g二氧化硅颗粒研磨后加入到22ml去离子水中超声处理1h并溶解，得溶液A；
步骤2：将0.8g三氯化锑加入到20mL乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入0.06g/mL氢氧化钠水溶液调节其pH至8，得溶液B；
步骤3：将溶液A加入到溶液B并磁力搅拌30min，得溶液C；
步骤4：将在20g/L的磷酸二氢钠水溶液，在电解电压为7V下阳极氧化7min活化后的碳布置于溶液C中浸渍20min，将溶液C和碳布转至聚四氟乙烯釜中并置于均相反应仪中在180℃下水热反应30h，冷却至室温取出碳布，采用去离子水和乙醇反复清洗后烘干，得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。
基于所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料作钠离子电池负极的应用。
实施例6
一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，包括以下步骤：
步骤1：将0.12g二氧化硅颗粒研磨后加入到15ml去离子水中超声处理1.5h并溶解，得溶液A；
步骤2：将0.9g三氯化锑加入到30mL乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入0.06g/mL氢氧化钠水溶液调节其pH至11，得溶液B；
步骤3：将溶液A加入到溶液B并磁力搅拌90min，得溶液C；
步骤4：将在20g/L的磷酸二氢钠水溶液，在电解电压为4V下阳极氧化12min活化后的碳布置于溶液C中浸渍40min，将溶液C和碳布转至聚四氟乙烯釜中并置于均相反应仪中在170℃下水热反应36h，冷却至室温取出碳布，采用去离子水和乙醇反复清洗后烘干，得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。
基于所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料作钠离子电池负极的应用。
实施例7
一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，包括以下步骤：
步骤1：将0.14g二氧化硅颗粒研磨后加入到25ml去离子水中超声处理1.5h并溶解，得溶液A；
步骤2：将1.0g三氯化锑加入到35mL乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入0.06g/mL氢氧化钠水溶液调节其pH至14，得溶液B；
步骤3：将溶液A加入到溶液B并磁力搅拌120min，得溶液C；
步骤4：将在20g/L的磷酸二氢钠水溶液，在电解电压为6V下阳极氧化9min活化后的碳布置于溶液C中浸渍50min，将溶液C和碳布转至聚四氟乙烯釜中并置于均相反应仪中在160℃下水热反应27h，冷却至室温取出碳布，采用去离子水和乙醇反复清洗后烘干，得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。
基于所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料作钠离子电池负极的应用。
总之，本发明通过将二氧化硅水溶液与三氯化锑乙醇溶液共混后经水热反应，合成出五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料，该方法操作简单，成本低，绿色环保。并将制备的该电极材料应用到电池领域，具有高的电化学循环稳定性，在钠离子电池负极材料应用领域前景广阔。该柔性电极结合了碳布柔性、五氧化二锑的高比容量及二氧化硅的稳定性，从整体上提高了作为钠离子电池负极材料的电化学循环稳定性能。

Claims (8)

1.一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将0.038～0.15g二氧化硅加入到15～25ml去离子水中并溶解，得溶液A；
步骤2：将0.3～1.1g三氯化锑加入到20～40mL乙醇溶液中并溶解，得三氯化锑溶液，向三氯化锑溶液中加入强碱溶液调节其pH至8～14，得溶液B；
步骤3：将溶液A加入到溶液B并搅拌，得溶液C；
步骤4：将碳布置于20g/L的磷酸二氢钠水溶液中，在电解电压为3～8V下阳极氧化2～15min得活化后的碳布，将活化后的碳布置于溶液C中浸渍，将溶液C和碳布转至反应釜中在150～180℃下水热反应，冷却至室温取出碳布，清洗烘干得五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性钠离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，其特征在于，所述步骤1中溶解为采用超声处理1～2h。
3.根据权利要求1所述的一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，其特征在于，所述步骤2中强碱溶液为0.06g/mL的氢氧化钠水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，其特征在于，所述步骤3中搅拌为磁力搅拌20～120min。
5.根据权利要求1所述的一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，其特征在于，所述步骤4中浸渍的时间为20～60min。
6.根据权利要求1所述的一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，其特征在于，所述步骤4中反应釜为聚四氟乙烯釜，溶液C和碳布转至聚四氟乙烯釜并置于均相反应仪中水热反应12～48h。
7.根据权利要求1所述的一种五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料的制备，其特征在于，所述步骤4中清洗为采用去离子水和乙醇清洗。
8.基于权利要求1所制备的五氧化二锑/二氧化硅/碳布柔性材料作钠离子电池负极的应用。
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