[发明专利]一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法和应用

说明书

一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法和应用，它涉及一种电池负极材料的制备方法及应用。本发明的目的是要解决现有双金属合金SbSn作为钠离子电池负极材料存在电子电导率小、容量、倍率性能差和负极材料极片制备复杂的问题。方法：一、制备SiO₂@SiO₂/RF材料；二、制备空心碳壳；三、复合制备薄膜。一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜负极材料用于制备钠离子电池。本发明制备的钠离子电池的首圈充电比容量可达到1138mAh·g^‑1，首圈放电比容量可达到889mAh·g^‑1，库伦效率可保持在74.8％。本发明可获得一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜。

技术领域

本发明涉及一种电池负极材料的制备方法及应用。

背景技术

由于钠资源丰富且成本较低，可充电钠离子电池有望成为锂离子电池的替代者。但是，钠的离子半径(0.102nm)和摩尔质量比锂的离子半径(0.076nm)和摩尔质量大，钠离子电池表现出比容量低，循环稳定性和倍率性能差等缺点，因此探索高性能钠离子电池阳极材料很有必要。最近，各种金属及其合金被认为是很有前途的阳极材料，主要是因为它们理论容量高，导电性强，金属及其合金的原子利用效率很高(M＝Sn，Sb，Ge等)，并且不会产生绝缘产品(如Na₂O和Na₂S)，这有利于增加SIB的总能量和功率密度。但它们在电化学反应过程中易发生剧烈的体积膨胀/收缩(520％，390％)，并在几个循环后造成明显的容量损失，从而降低循环寿命。为了解决上述问题，一种有效的策略是设计二元金属间化合物合金以产生新的物理和化学性质。一方面，适当的合金元素组合可以实现更好的速率能力和容量保持性，因为插入了导电元素可以减少活性物质的积累和界面电荷转移的阻力。另一方面，具有电化学惰性的过渡金属可以充当限制缓冲剂以适应较大的体积变化。作为很少研究的双金属合金SbSn，不仅基于完全钠化后生成Na₃Sb和Na_3.75Sn产物能提供约752mAh g^-1的比容量，而且相对于Na/Na⁺具有适当的合金化/脱合金潜力。由于Sn和Sb的合金化/脱合金电势不同，因此Sb可以先充当缓冲剂以适应钠化反应期间的体积膨胀。而且，逐步的钠插入机制可以抑制体积膨胀并提高电极的机械稳定性。此外，Sn和Sb都具有存储钠离子的能力，SbSn可以大大降低在放电/充电过程中产生的内应力并保持结构稳定性，并且有助于提升整个电池的比容量。但是，目前双金属合金SbSn作为钠离子电池负极材料仍然存在电子电导率小、容量和倍率性能差的问题。同时，当前的电池极片制作工艺比较繁琐，制备过程中需要使用粘结剂和导电炭黑，之后还需要进行涂覆和压片，这不仅提高了电池制作的成本和时间，同时对设备也要求比较高。所以，简化电池极片制备工艺也是研究的一个重要目标。

发明内容

本发明的目的是要解决现有双金属合金SbSn作为钠离子电池负极材料存在电子电导率小、容量、倍率性能差和负极材料极片制备复杂的问题，而提供一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法和应用。

一种氮掺杂碳纳米纤维复合空心碳壳薄膜的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、制备SiO₂@SiO₂/RF材料：

首先将无水乙醇、去离子水和氨水混合均匀，然后加入正硅酸乙酯，磁力搅拌，再加入间苯二酚和甲醛，再进行磁力搅拌，得到反应产物Ⅰ；对反应产物Ⅰ进行离心洗涤，最后烘干，得到SiO₂@SiO₂/RF材料；

步骤一中所述的正硅酸乙酯与无水乙醇的体积比为(3～4)(60～80)；

步骤一中所述的间苯二酚的质量与无水乙醇的体积比为(0.3g～0.5g)(60mL～80mL)；

步骤一中所述的甲醛与无水乙醇的体积比为(0.4～0.6)(60～80)；

二、制备空心碳壳：