一种纳米铋复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米铋复合材料及其制备方法与应用。具体制备方法为:将生物质基碳水化合物与铋基活性物质前驱体搅拌混合均匀，静置自组装形成水凝胶，冷冻干燥得到气凝胶，将所得气凝胶进行煅烧得到所述纳米铋复合材料。所得纳米铋复合材料应用在镁电极负极材料制备中。制备中。制备中。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米铋复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于电化学储能
，尤其是指一种纳米铋复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]面对日益严重的能源短缺和环境污染，大力发展新能源，推动能源结构绿色可持续，实现经济社会和资源环境的协调健康发展，已成为全球可持续发展的必然趋势。而发展与新能源产业相匹配的先进储能技术，是大规模开发清洁并高效利用新能源的关键。锂离子电池储能系统，作为当前最先进的电化学储能技术，已经被成功应用于新能源汽车、便携电子、规模储能等产业，但受限于能量密度、成本和安全等问题，制约了其在新能源电动汽车、新能源发电等新兴领域的推广应用，同时在一定程度上也限制了新能源产业的快速发展。因此，亟需开发高能量密度、安全、绿色、低成本的电化学储能新技术。
[0003]镁二次电池凭借镁金属负极不易生长枝晶、体积理论比容量高、地球储量丰富、成本低和环境友好无毒害等优点，成为规模化应用最具潜力的下一代能源存储系统，迅速引起了人们的广泛关注。但是，到目前为止，由于镁二次电池主要采用镁金属作为负极，而镁金属在传统镁电解液中极易形成一层不导镁钝化膜，导致镁不可逆沉积，从而恶化镁二次电池电化学性能，致使镁储能器件无法正常工作，大大限制了镁二次电池的发展。因此，亟需开发新型高性能镁负极材料。
[0004]金属铋容易和金属镁形成镁铋合金负极，具有较高的理论容量(对Mg3Bi2来说高达1949mAh/cm3)和平坦且低的氧化还原电位，被认为是非常有前途的金属镁负极的替代品，从而引起了镁电池领域科学家的极大关注。但是单一商业铋作为负极材料存在较差镁离子脱嵌动力学以及镁离子脱嵌易导致体积膨胀引发电极粉化。金属铋纳米化有利于缩短镁离子扩散路径，提高倍率性能，纳米铋与柔性导电碳复合可以有效解决体积膨胀，避免电极粉化，提升循环稳定性。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种纳米铋复合材料及其制备方法与应用。本专利技术制备方法简单，成本低。
[0006]一种纳米铋复合材料的制备方法，将生物质基碳水化合物与铋基活性物质前驱体搅拌混合均匀，静置自组装形成水凝胶，冷冻干燥得到气凝胶，将所得气凝胶进行煅烧得到所述纳米铋复合材料。所述铋基活性物质前驱体是指金属铋的盐。
[0007]在本专利技术的一个实施例中，所述生物质基碳水化合物选自纤维素、纤维素纳米晶、葡萄糖、蔗糖、壳聚糖和瓜尔胶中的一种或多种。
[0008]在本专利技术的一个实施例中，所述铋基活性物质前驱体选自硝酸铋、次硝酸铋、硝酸铋水合物、乙酸铋、硫酸铋、磷酸铋、氯化铋和柠檬酸铋铵中一种或多种。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述生物质基碳水化合物与铋基活性物质前驱体的质
量比为(2～0.01):(0.01～2)。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，所述煅烧过程为：将所述气凝胶以5～10℃/min速率升温至600～800℃，并恒温煅烧1～3小时。
[0011]所述的制备方法所得纳米铋复合材料。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述纳米铋复合材料中各组分含量，以质量百分数计：铋30～90％、氮0.1～5％、碳5％～80％。
[0013]一种镁电池负极，所述镁电池负极包括所述纳米铋复合材料、导电剂和粘结剂。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述镁电池包括镁离子二次电池和镁硫电池。
[0015]一种镁电池负极的制备方法，将所述纳米铋复合材料加入导电剂、粘结剂并搅拌均匀后，涂覆在集流体上，烘干后做成极片并压片制备得到所述镁电池负极。
[0016]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0017]本专利技术利用生物质基碳水化合物丰富带负电官能团与带正电荷铋离子原位静电吸附作用实现铋离子均匀分散的铋基生物质基碳水化合物水凝胶，进一步冷冻干燥获得生物质碳水化合物和含硝酸根离子的铋金属盐复合前驱体气凝胶，进一步通过生物质基碳水化合物原位碳化、原位氮掺杂获得氮掺杂生物质碳、同时铋离子在高温原位形成的自支撑还原环境条件下，在氮掺杂生物质碳表面被成功还原成单原子铋，进一步形成铋晶种，通过控制反应条件进一步调节铋的纳米级生长，构筑不同氮掺杂生物质碳表面原位生长纳米铋结构。纳米铋结构与柔性高导电氮掺杂生物质碳的原位复合，一方面负极铋纳米化有利于提高导镁离子动力学，从而提高活性物质利用率和倍率性能，另一方面引入具有柔性特性的氮掺杂生物质碳，解决了铋脱嵌镁电化学过程中引起的体积膨胀粉化问题，有效提高了电池的循环性能。
附图说明
[0018]为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中
[0019]图1是本专利技术实施例1中CNC复合五水硝酸铋水凝胶照片。
[0020]图2是本专利技术实施例2中CNC复合次硝酸铋的气凝胶照片。
[0021]图3是本专利技术实施例3中氮掺杂蔗糖生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料照片。
[0022]图4是本专利技术实施例1中提供的氮掺杂纤维素纳米晶生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料的X射线衍射图。
[0023]图5是本专利技术实施例4中提供的氮掺杂壳聚糖生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料的X射线衍射图。
[0024]图6是本专利技术实施例5中提供的氮掺杂瓜尔胶生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料的X射线衍射图。
[0025]图7是本专利技术实施例1中提供的氮掺杂纤维素纳米晶生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料的扫描电子显微镜图。
[0026]图8是本专利技术实施例2、3、4、5中氮掺杂生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料的扫描电子显微镜图。
[0027]图9是本专利技术实施例1中提供的氮掺杂纤维素纳米晶生物质碳表面原位生长纳米
铋复合材料的首次充放电曲线。
[0028]图10是本专利技术实施例2中提供的氮掺杂生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料在电流密度为0.1C的电化学循环性能曲线图。
[0029]图11是本专利技术实施例3中提供的氮掺杂生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料在电流密度为1C的电化学长循环性能曲线图。
[0030]图12是本专利技术实施例5中提供的氮掺杂生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料在电流密度为0.1C条件下与商业铋对比的电化学性能。
具体实施方式
[0031]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。
[0032]实施例1
[0033]以五水硝酸铋为铋源的氮掺杂纤维素纳米晶生物质碳表面原位生长纳米铋复合材料
[0034](1)纤维素纳米晶(CNC)的制备
[0035]在三颈烧瓶加入100mL浓度为40mg/mL的硫酸溶液，加入10g微晶纤维素(MCC)，在60℃水浴条件下，机械搅拌60分钟；将反应完的溶液在水中分散，进行抽滤，不断加水洗至中性，抽滤完得到纤维素纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米铋复合材料的制备方法，其特征在于，将生物质基碳水化合物与铋基活性物质前驱体搅拌混合均匀，静置自组装形成水凝胶，冷冻干燥得到气凝胶，将所得气凝胶进行煅烧得到所述纳米铋复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质基碳水化合物选自纤维素、纤维素纳米晶、葡萄糖、蔗糖、壳聚糖和瓜尔胶中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铋基活性物质前驱体选自硝酸铋、次硝酸铋、硝酸铋水合物、乙酸铋、硫酸铋、磷酸铋、氯化铋和柠檬酸铋铵中一种或多种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述生物质基碳水化合物与铋基活性物质前驱体的质量比为(2～0.01):(0.01～2)。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧过程为：将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宛飞，刘俊杰，王晓冕，李鑫，凌子轩，程淼，刘倩倩，胡敬，魏涛，凌云，刘波，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：