【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
大体来说，本专利技术涉及用作电池中的阳极的核壳纳米颗粒和复合材料。本专利技术还涉及其制造方法。
技术介绍
1、截至2021年，阳极材料的市场规模高于500亿美元。对用于构建能量密集型电池的高容量阳极材料的研究导致了硅和li金属的使用。预计采用与硅或li金属主导阳极配对的锂镍锰钴氧化物(nmc)和锂镍钴铝氧化物(nca)阴极的汽车电池的能量密度提高至多50％，从而在不到十年内将$/kwh成本降低30-40％。大多数现有的li离子电池使用常规的阳极材料，如石墨(嵌入反应)，其通常作为天然和合成石墨的混合物使用。石墨提供了330mah/g的比容量，但存在各种问题，如枝晶形成和li金属电镀，这会导致不可逆的容量损失和安全问题。
2、当碱金属和碱土金属(如li金属)用作阳极时，其会经历电镀/剥离反应，而阴极会经历嵌入/脱嵌反应(如在插入化合物如linimncoo2、limn2o4、licoo2等的情况下)或转化反应，如硫阴极。大多数固态和li-s电池使用li金属作为阳极，并且因此，大多数研究和初创企业涉及解决与之相关的关键问题，如不可逆容量损失、枝晶形成、基于阳极的电池阻抗、稳定性等。
3、与石墨不同，硅不使用嵌入机制来存储锂离子。相反，它通过“转化”机制运行，其中硅和锂原子形成电化学合金，在充电-放电循环期间断裂和恢复化学键。转化名称来自从一种结构转化或转换为另一种结构。转化反应中形成的键强得多(它们可以存储更多能量的原因)。然而，这些键更难以可重复的方式形成和断裂而没有长期损害。实现硅阳极循环能力在技术上更具挑
4、纯硅阳极通常无法实现超过约100次的完整充电放电循环，并且无法以经济高效的方式大规模复制。
5、鉴于当前电动载具的发展趋势，需要具有更大的存储容量、更好的充电放电循环、电池寿命和/或减少的重量的电池。
6、希望克服或改善上述问题中的至少一个。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种核壳纳米颗粒，其包含：
2、a)包含nb和nbs2的核，优选nbs2，以及
3、b)式(i)的壳：
4、nbsxoy·zh2o(i)
5、其中
6、x是0至5的数字；
7、y是0至3的数字；并且
8、z是0至10的数字。
9、在一些实施方案中，x、y和z是整数。
10、在一些实施方案中，核壳纳米颗粒的粒度为约10nm至约10000nm。
11、在一些实施方案中，核壳纳米颗粒的壳厚度为约5nm至约900nm。
12、在一些实施方案中，核壳纳米颗粒是锂化的。
13、本专利技术还提供一种复合材料，其包括：
14、a)基材；和
15、b)与基材接触的如本文公开的核壳纳米颗粒；
16、其中基材选自石墨、石墨烯、碱金属、碱土金属或其合金，以及包括碳、金属、金属间合金和合金以及任选的碱金属和碱土金属的集电体。
17、在一些实施方案中，核壳纳米颗粒分散在基材内。
18、在一些实施方案中，核壳纳米颗粒作为涂层在基材上形成。
19、在一些实施方案中，涂层的特征在于厚度为约10nm至约500μm。
20、在一些实施方案中，当核壳纳米颗粒作为涂层在基材上形成时，基材是li金属。
21、在一些实施方案中，当核壳纳米颗粒作为涂层在基材上形成时，基材为碳纸，并且涂层的特征在于核壳纳米颗粒:碳黑:粘合剂的比为约8:1:1。
22、在一些实施方案中，当核壳纳米颗粒作为涂层在基材上形成时，基材为cu箔，并且涂层的特征在于核壳纳米颗粒:碳黑:粘合剂的比为约9:0.5:0.5。
23、在一些实施方案中，当核壳纳米颗粒作为涂层在基材上形成时，基材为碳纸，并且涂层的特征在于核壳纳米颗粒:石墨烯:碳黑:粘合剂的比为约2:6:1:1。
24、在一些实施方案中，复合材料的特征在于电导率为li金属的至少约100倍。
25、本专利技术还提供了一种电池，其包括阳极，其中阳极包括如本文公开的核壳纳米颗粒。
26、在一些实施方案中，电池的特征在于在约0.01v至约2.8v的电压范围内，最小容量为至少约800mah/g。
27、在一些实施方案中，电池的特征在于稳定的比容量为约1,000mah/g至约5,000mah/g。
28、在一些实施方案中，电池的特征在于20次循环后的循环放电比稳定性为至少45mah/g。
29、在一些实施方案中，电池的特征在于中值电压为li金属的至多约1/10。
30、在一些实施方案中，电池的特征在于循环稳定性为至少300次循环。
31、本专利技术提供了一种合成如本文公开的核壳纳米颗粒的方法，该方法包括：
32、a)在惰性条件下使硫蒸气通过nb金属纳米颗粒；和
33、b)使步骤(a)的纳米颗粒氧化并水合以形成核壳纳米颗粒。
34、在一些实施方案中，惰性条件是恒定的惰性气体流。
35、在一些实施方案中，惰性气体选自氩气、氮气或其组合。
36、在一些实施方案中，步骤(a)在约900℃至约1200℃下进行。
37、在一些实施方案中，步骤(b)通过将步骤(a)的纳米颗粒暴露于空气进行。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种核壳纳米颗粒，其包括：
2.根据权利要求1所述的核壳纳米颗粒，其中x、y和z是整数。
3.根据权利要求1或2所述的核壳纳米颗粒，其中所述核壳纳米颗粒的粒度为约10nm至约10000nm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的核壳纳米颗粒，其中核壳纳米颗粒的壳厚度为约5nm至约900nm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的核壳纳米颗粒，其中所述核壳纳米颗粒是锂化的。
6.一种复合材料，其包括：
7.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述核壳纳米颗粒分散在所述基材内。
8.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成。
9.根据权利要求8所述的复合材料，其中所述涂层的特征在于厚度为约10nm至约500μm。
10.根据权利要求8或9所述的复合材料，其中当所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成时，所述基材为Li金属。
11.根据权利要求8或9所述的复合材料，其中当所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成时，所述基材为碳纸，且
12.根据权利要求8或9所述的复合材料，其中当所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成时，所述基材为Cu箔，且所述涂层的特征在于所述核壳纳米颗粒:碳黑:粘合剂的比为约9:0.5:0.5。
13.根据权利要求8或9所述的复合材料，其中当所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成时，所述基材为碳纸，且所述涂层的特征在于所述核壳纳米颗粒:石墨烯:碳黑:粘合剂的比为约2:6:1:1。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的复合材料，其中所述复合材料的特征在于电导率为Li金属的至少约100倍。
15.一种电池，其包括阳极，其中所述阳极包括根据权利要求1至5中任一项所述的核壳纳米颗粒。
16.根据权利要求15所述的电池，其中所述电池的特征在于在约0.01V至约2.8V的电压范围内，最小容量为至少约800mAh/g。
17.根据权利要求15或16所述的电池，其中所述电池的特征在于稳定的比容量为约1,000mAh/g至约5,000mAh/g。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的电池，其中所述电池的特征在于20次循环之后的循环放电比稳定性为至少45mAh/g。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的电池，其中所述电池的特征在于中值电压为Li金属的至多约1/10。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的电池，其中所述电池的特征在于循环稳定性为至少300次循环。
21.合成根据权利要求1至5中任一项所述的核壳纳米颗粒的方法，所述方法包括：
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述惰性条件是恒定的惰性气体流。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述惰性气体选自氩气、氮气或其组合。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，其中步骤(a)在约900℃至约1200℃下进行。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其中步骤(b)通过将步骤(a)的纳米颗粒暴露于空气进行。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种核壳纳米颗粒，其包括：
2.根据权利要求1所述的核壳纳米颗粒，其中x、y和z是整数。
3.根据权利要求1或2所述的核壳纳米颗粒，其中所述核壳纳米颗粒的粒度为约10nm至约10000nm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的核壳纳米颗粒，其中核壳纳米颗粒的壳厚度为约5nm至约900nm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的核壳纳米颗粒，其中所述核壳纳米颗粒是锂化的。
6.一种复合材料，其包括：
7.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述核壳纳米颗粒分散在所述基材内。
8.根据权利要求6所述的复合材料，其中所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成。
9.根据权利要求8所述的复合材料，其中所述涂层的特征在于厚度为约10nm至约500μm。
10.根据权利要求8或9所述的复合材料，其中当所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成时，所述基材为li金属。
11.根据权利要求8或9所述的复合材料，其中当所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成时，所述基材为碳纸，且所述涂层的特征在于所述核壳纳米颗粒:碳黑:粘合剂的比为约8:1:1。
12.根据权利要求8或9所述的复合材料，其中当所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成时，所述基材为cu箔，且所述涂层的特征在于所述核壳纳米颗粒:碳黑:粘合剂的比为约9:0.5:0.5。
13.根据权利要求8或9所述的复合材料，其中当所述核壳纳米颗粒作为涂层在所述基材上形成时，所述基材为碳纸，且所述涂层的特征在于所述核壳纳米颗粒...
【专利技术属性】
技术研发人员：维韦克·奈尔，塞尔吉奥·格拉涅罗·埃切弗里加雷，安东尼奥·埃利奥·德·卡斯特罗·内托，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：
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