CN111313026A - 一种多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物、制备方法及应用 - Google Patents

一种多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物、制备方法及应用，其步骤为：利用超声将氮化碳均匀分散在水中，加入氯化锑，超声一段时间，使其吸附在氮化碳表面，得到混合液，调节混合液pH值，使氮化碳表面先吸附氧化锑得到氮化碳/氧化锑前躯体，控制煅烧温度进行煅烧，得到所述的复合物。本发明借助氮化碳的裂解，以及氮化碳吸附作用下锑的布朗运动，选择合适的裂解温度，并考虑金属锑还原温度的同时，控制煅烧时间，使晶型金属锑转化成无序的金属锑，得到多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物，促进了无定型材料在催化和电池等领域的发展，同时提高了材料对钠离子的储存能力，促进了廉价尿素在电化学储能方面的应用。

Description

一种多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物、制备方法及应用
技术领域
本发明属于钠离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物、制备方法以及其在钠离子电池中的应用。
背景技术
锂离子电池的高容量和长循环性能促使其快速的发展，其需求的增加及低含量的锂储备将导致锂的价格逐渐上涨，并且成为制约锂离子电池发展的关键因素。因此，开发下一代高性能的电池体系是当前的研究热点。相对于锂，钠具有丰富的储量，开采相对简单，化学性能相似，并且钠离子电池的电位比锂离子高0.3 V，有效提高了电解液的选择范围。
由于钠离子的半径大于锂离子，导致很多锂离子电池负极材料并不适用钠离子电池，比如石墨烯。因此，研究新型的钠离子电池负极材料对电池产业快速发展尤为重要。
合金类材料具有高的导电性，高的理论容量和合适的工作电压等特点，被认为是很有前景的材料，如金属锑。金属锑表现出高的理论容量（660 mAh g-1）和合适的嵌入电位（0.5 - 0.8 V 相对 Na+ / Na），促进了金属锑在钠离子电池中的应用。但是钠离子与锑合金化反应，会导致290 %的体积膨胀，影响材料的循环性能。
以往的研究，会通过控制金属锑的颗粒大小，合成多孔的金属锑和空心的锑，碳材料包覆缓冲，金属氧化物缓冲等方法能提高材料的性能。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物。此复合物具有优异的导电性和钠离子储存能力，且在循环充放电过程中，此复合物具有动力学优势，表现出优异的电化学性能。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物及其制备方法，包括如下步骤：
（1）利用超声将氮化碳均匀分散在水中，加入氯化锑，超声一段时间，使其吸附在氮化碳表面，得到混合液，调节混合液pH值，使氮化碳表面先吸附氧化锑得到氮化碳/氧化锑前躯体；
（2）将步骤（1）所得氮化碳/氧化锑复合物置于管式炉中，在氩气保护下，煅烧得到所述的多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物。
较佳的，所述氮化碳为尿素在550 oC 下煅烧合成。
较佳的，利用超声将氮化碳均匀分散在水中，超声时间为1 h。
较佳的，所述氮化碳与氯化锑质量比为10 : 1 ~ 1 : 5。
较佳的，加入氯化锑，超声1.5 h，使其吸附在氮化碳表面。
较佳的，用氢氧化钠调节混合液pH值至8 ~ 9。
具体的，氢氧化钠浓度为1 mol/L。
较佳的，煅烧过程是以3 oC min-1速率升温至350 ~ 650 oC，保持0.5 ~ 10 h。
与现有技术相比，本发明利用廉价的尿素得到层状氮化碳作为缓冲层，原位水解法得到氮化碳/氧化锑前驱体，再煅烧得到具有优异电化学性能的多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物。此方法具有以下的特点：1）廉价尿素合成的氮化碳被转化成了多孔氮掺杂碳，提高了材料的导电性，同时提高材料对钠离子的储存能力，促进了廉价尿素在电化学储能方面的应用；2）氧化锑被还原成了金属锑，说明除了碳热还原，氮化碳在热作用下也有很强的还原性，为氮化碳在热还原领域提供可能，且氧化锑被还原减少了材料的不可逆容量；3）晶型锑转化为无定型锑，提高了材料的动力学性能；4）本发明提供了晶型材料转化为无定型材料的方法，利用小分子抨击晶型材料，以及布朗运动，将晶型材料转化为无定型材料，这将促进无定型材料在催化和电池等领域的发展。
附图说明
图1为所得氮化碳/氧化锑复合物在不同煅烧温度下的XRD图。
图2为所得氮化碳/氧化锑复合物在550 oC下，煅烧不同时间的XRD图。
图3为氮化碳/氧化锑、多孔氮掺杂的碳/晶型锑和多孔氮掺杂的碳/无定型锑复合物的循环性能图。
图4为氮化碳/氧化锑、多孔氮掺杂的碳/晶型锑和多孔氮掺杂的碳/无定型锑复合物的倍率性能图。
具体实施方式
本发明考虑到金属锑的熔点为630 oC，所以先通过控制煅烧温度，选择适宜的温度还原氧化锑。在钠离子电池中，晶型锑多次循环充放电，会转化成非晶型的锑，而且氮化碳有一定的热解效果，所以本发明借助氮化碳的裂解，以及氮化碳吸附作用下锑的布朗运动，选择合适的裂解温度，并考虑金属锑还原温度的同时，控制煅烧时间，使晶型金属锑转化成无序的金属锑，得到多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物，提高了电极材料的动力学性能。
实施例
1. 氮化碳/氧化锑复合物的制备：
称5.0 g尿素置于坩埚中，以3 oC/min的速度缓慢升温至550 oC，随后保温3 h，得到淡黄色氮化碳粉末，接着，取0.2 g氮化碳与100 mL水中超声1h，分别按照氮化碳和氯化锑质量比为1 : 0.1、1 : 0.5、1 : 1、1 : 3、1 : 5称取氯化锑于100 ml水中超声分散1.5 h，使氯化锑均匀分散在氮化碳表面。随后利用1 mol/L氢氧化钠调节pH至8 - 9，静置10 min，去除上清液，用去离子水和乙醇分别离心洗涤4次，最后放入真空干燥箱在80 ℃下干燥12 h，得到氮化碳/氧化锑复合物粉末。
2.多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物的制备
氮掺杂的碳/锑复合物是通过高温还原氮化碳/氧化锑复合物粉末制备得到，在氩气保护下，分别称取0.2 g 氮化碳/氧化锑复合物分别以3 oC / min的升温速度升到350，450，500，550，600和650 oC并保温0.5 h来研究最佳还原温度，如图1所示，考虑到氮化碳热解效果和锑的熔点，最佳还原温度为550 oC，接着再分别称取0.2 g 氮化碳/氧化锑复合物，在氩气保护下，以3 oC/min的升温速度升到550 ℃，分别煅烧2.0，4.0，6.0，8.0和10.0 h来探究最佳煅烧时间，如图2所示，在550℃煅烧6.0 h得到多孔氮掺杂的碳/无定型锑（N-C/a-Sb），在550 oC煅烧4.0 h得到的多孔氮掺杂的碳/晶型锑（N-C/c-Sb），作为与N-C/a-Sb性能对比样品。
3.多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物电极的制备及应用
电极是以水作为分散剂，并将活性材料，粘结剂（CMC-Na）和导电剂（乙炔黑）以质量比为7 : 2 : 1搅拌成浆料，得到的浆料涂在铜箔上，先40 oC烘30 min，再80 oC真空烘12 h，并切成12 mm电极片。在手套箱中将金属钠切成12 mm钠片，作为电池的负极，并将1 mol/LNaPF6 溶解在碳酸亚乙酯/碳酸二甲酯(EC/DMC, 6:4, v/v)作为电解液，，隔膜为celgard2400膜。在手套箱中组装成CR2032纽扣电池，并利用新威电池测试系统检测电化学性能。
将氮化碳/氧化锑，多孔氮掺杂的碳/晶型锑和多孔氮掺杂的碳/无定型锑复合物用作钠离子电池的负极材料对其进行电化学性能的测试（如图3和图4），结果表明，在100mA g-1电流密度和0.01 - 2.5 V下，氮化碳/氧化锑电池的不可逆容量太高，导致电池容量并不理想，且容量下降的速度也很快。多孔氮掺杂的碳/晶型锑和多孔氮掺杂的碳/无定型锑复合物电池循环稳定性明显提高，且由于合金类材料的优势，这两种电池不可逆容量较氮化碳/氧化锑电池小了很多。在100 mA g-1下，循环100圈，多孔氮掺杂的碳/无定型锑复合物电池容量为498.2 mA g-1 (容量保持率为98.1%)；多孔氮掺杂的碳/晶型锑复合物电池容量为408.0 mA g-1 (容量保持率为88.1%)。在这三种材料中，多孔氮掺杂的碳/无定型锑复合物电池表现出最优的循环性能（图3），且多孔氮掺杂的碳/无定型锑复合物电池的倍率性能也最显著（图4）。

Claims (10)

1.一种多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）利用超声将氮化碳均匀分散在水中，加入氯化锑，继续超声一段时间，得到混合液，调节混合液pH值，得到氮化碳/氧化锑前躯体；
（2）在氩气保护下，将上述氮化碳/氧化锑复合物进行煅烧，得到所述的多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，氮化碳为尿素在550 ℃下煅烧得到。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用超声将氮化碳均匀分散在水中，超声时间为1 h。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，氮化碳与氯化锑质量比为10 : 1 ~ 1 : 5。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，加入氯化锑，超声1.5 h。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，用氢氧化钠调节混合液pH值至8 ~ 9。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，氢氧化钠浓度为1 mol/L。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，煅烧过程是以3 oC min-1速率升温至350 ~650 oC，保持0.5 ~ 10 h。
9.根据权利要求1-8任一所述的方法制备的多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物。
10.根据权利要求1-8任一所述的方法制备的多孔氮掺杂碳/无定型锑复合物作为钠离子电池负极材料的应用。
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