本技术涉及一种稀土纳米颗粒增强型生物二氧化硅负极材料的制备技术及其应用领域。该技术通过特定的制备流程,利用LaCl3和YCl3等稀土元素,合成出具有优异电化学性能的负极材料。该材料在能源存储和转换设备中展现出卓越的性能,为新能源技术的发展提供了新的可能性。
背景技术
传统的锂离子电池石墨负极材料由于较低的理论比容量已经很难满足当下能源市场的需求,因此急需开发新的更加高效的替代负极材料,因此出现了许多的替代负极材料,如合金化合物、硅、二氧化硅、过渡金属氧化物等。在诸多的替代负极材料中,二氧化硅由于较高的理论比容量和丰度,在地球上储量极为丰富等优点,已经成为一种极具潜力的锂离子电池负极材料,受制于二氧化硅的低导电性以及一定的体积膨胀,目前未能够实现大规模的商业化应用。而在二氧化硅的众多来源中,硅藻是一种天然绿色且储量丰富的二氧化硅来源。
硅藻自从被报道可以作为锂离子电池活性负极材料来源以来,引起了极大的关注,因为硅藻具有中空多孔的二氧化硅壳体结构,相较于一般二氧化硅来源,硅藻生物二氧化硅显著的缓解了二氧化硅在循环过程中的体积膨胀,对于二氧化硅负极材料的性能提升具有显著的效果,因此大多数的研究集中在对于硅藻基生物二氧化硅的体外修饰,以此来提高二氧化硅的导电性,常用的修饰方法包括将硅藻基生物二氧化硅与导电碳前驱体或金属离子相结合,提高二氧化硅负极材料的本征导电率等,但是大多数的体外修饰方法存在效率低以及负载的导电相容易脱落等问题,且负载金属自身导电性强弱也会对电极材料的性能产生较大的影响,对硅藻体内修饰实现硅藻基生物二氧化硅负极材料性能提升的研究仍相对缺乏,因此寻求更加简便高效的硅藻体内修饰提高二氧化硅导电性的技术是当前本领域的迫切需求。
稀土元素在储能领域的研究已经引起了极大的关注,尤其是在锂离子电池领域,值得注意的是,大多数的研究都集中在改善稀土元素掺杂的正极材料性质上,例如Zhanget.al(https://doi.org/10.1007/s10853-023-08542-z)通过一步水热法制备了La和Y掺杂的LiFePO4
正极材料,证明了La和Y能够扩大LiFePO4
的晶格条纹,提高离子扩散效率以及材料的电子导电性,对于正极材料的电化学性能具有积极的效果。但是该方法的缺陷在于,材料的制备方法复杂且掺杂的稀土元素含量不易控制,以及并不能够观察到明显的稀土元素在复合材料上的分布。
经过对现有技术的文献检索发现,中国专利CN202311770215.7公开了一种改性硅藻材料及其制备方法和应用,通过制备离子型稀土矿提取液或将离子型稀土矿使用半透膜包裹共培养硅藻,获得了稀土共培养的改性硅藻材料,所制备的锂离子电池在循环35圈后具有约820 mAh·g-1
的放电比容量,该发明的缺点在于所使用的离子型稀土矿成分不明确,稀土负载量较低,未能在硅藻壳体上观察到明显的稀土纳米颗粒,说明硅藻生长过程中无法很好的利用稀土矿或者稀土矿提取液。
实现思路