[发明专利]制备三氧化二铁-铋金属碳纤维复合材料及方法

说明书

本发明涉及制备三氧化二铁‑铋金属碳纤维复合材料及方法。将聚丙烯腈加入到二甲基甲酰胺中，再将五水合硝酸铋和九水合硝酸铁加入到二甲基甲酰胺中，室温下搅拌得到含铋盐，铁盐的混合液。然后将含铋盐、铁盐的混合液加入到含聚丙烯腈的混合液中，搅拌后得到含聚丙烯腈、铋盐和铁盐的混合液。将所得混合液抽入到装有不锈钢针头的针筒之中缓慢泵出，通过静电纺丝法和退火处理得到三氧化二铁‑铋金属碳纤维复合材料。该复合材料是将铋和三氧化二铁纳米颗粒封装在碳纤维中形成的网状结构。将其用作锂/钠离子电池负极材料，一维碳纳米纤维在抑制体积膨胀的同时，构架高效的导电网络，使得材料表现出较高的电化学活性和稳定性。

技术领域

本发明属于无机纳米材料合成领域。具体地，涉及制备三氧化二铁-铋金属碳纤维复合材料及方法。

背景技术

化石燃料的过度使用和其燃烧所带来的环境问题，使得人们对清洁能源的开发和利用广泛关注，二次电池因为适用范围广，成本低，转换效率高等特点满足其要求。锂离子电池以其高比能量、放电电压高、高循环寿命、无记忆效应、无污染等特点占据了便携式能源存储市场。但是锂资源不足且分布不均，使其失去用于大尺寸、静态能量存储的价格优势。钠和锂具有相似的物化性质，且钠资源储量丰富、分布均匀，被认为是今后在规模储能领域替代锂离子电池的最佳候选。电池的性能如容量和工作电压等很大程度上由电极材料的性能决定，由于钠离子电池的电化学反应与锂离子电池相似，因此钠离子电池电极材料的选择可参考已经较为成熟的锂离子电池电极材料。近二十年来，关于钠离子电池的正极材料研究已经在性能和机理两方面取得一定成绩，但在负极材料方面尚未取得较为满意的成果，仍待进一步研究。钠原子质量是锂的三倍，离子半径也比锂离子大，且Na⁺/Na标准电化学电位比Li⁺/Li高，因而钠离子电池能量密度很难与锂离子电池相媲美，如一些锂离子电池的负极材料作为钠离子电池负极使用时，表现一般甚至不具有活性。石墨就是其中一例，由于石墨碳层间距较小而不能有效嵌脱钠离子。考虑到钠离子电池未来的实际商业应用，寻找、研发有竞争力、高性能、循环稳定的新型电极材料至关重要。合金基材料具有较高的理论容量和多重电子转移能力，因此作为一种有发展前景的负极材料受到了广泛的关注。在众多合金基材料中，铋以其独特的层状晶体结构(沿c轴方向具有较大的层间距在充放电过程中易于离子扩散，成本低廉，无毒环保等优势，在锂/钠离子电池领域非常具有竞争力。从外观和结构上看，铋与石墨十分相似，呈灰白色褶皱片层状，是由六元环组成的晶体结构。Bi与Na反应生成Na₃Bi，表现出385mAh g^-1的理论容量，且铋工作电压高于钠枝晶形成的电压，可使其成为更安全的负极材料。但在合金化/脱合金化过程中，铋金属材料体积变化达352％，导致了活性材料的严重粉化，阻碍了铋金属作为钠离子电池负极的实际应用。近年来，通过设计新颖的纳米结构或复合导电性优异的碳材料制得的负极材料虽然具有较高容量，但其循环性能较差，容量衰减太快，尤其是在高倍率下的表现还远远不能令人满意。相较于复合石墨烯或组合成片层状材料，制备一维碳纳米结构更具有优势，在抑制体积膨胀的同时，构架高效的导电网络，使得材料表现出较高的电化学活性和稳定性。如Xue等将铋纳米棒封装在氮掺杂碳纳米管里制备出Bi nanorods@N-doped carbon nanotubes复合材料，将其应用在钠离子电池中，其独特的结构可以很好的适应铋金属在循环过程中的体积膨胀，稳定固体电解质相间层，提高电子导电性。三氧化二铁作为负极材料具有理论容量高(1007mAh g^-1)、储量丰富、成本低、无毒性等优点，但是在充放电过程中也具有较大的体积膨胀(215％)，且电极活性材料颗粒易团聚。因此通过设计合适的结构，制备三氧化二铁-铋金属碳纤维复合材料来同时提高材料的导电性和缓冲体积膨胀，是提高铋基材料作为锂/钠离子电池负极材料循环稳定性的有效措施之一。

发明内容