一种碳纤维负载BiOCl/CuS异质结纳米复合材料及其制备方法和应用

本发明属于锌离子电池负极材料，具体涉及一种碳纤维负载biocl/cus异质结纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着电动车、智能电网等大型储能系统的迅速发展，对储能技术的要求越来越高，锂离子电池的成本和资源限制问题逐渐凸显。因此，锌离子电池作为一种备受研究人员关注的储能技术，凭借其较高的理论容量(825mah g-1和5854mah cm-3)、固有的安全性和经济可行性而备受关注。目前，对水基锌离子电池的研究取得了重要进展，大量的锰基和钒基材料已被开发出来，它们具有优良的电化学性能和广阔的应用前景。

2、然而，金属锌负极在氧化过程中面临着锌枝晶、死锌和副产物形成的问题，同时还会消耗水。为了改善金属锌负极的性能，研究人员已尝试了多种方法，如人工固体/电解质界面层、电解质添加剂和锌复合阳极等。另一方面，插入型材料由于其高容量、低放电平台和无枝晶特性，越来越多地被用作"摇椅式"锌离子电池的负极材料。然而，目前报道的插入型负极材料仍然面临着活性材料负载量低、循环过程中结构崩溃、锌离子电池容量低和倍率性能不理想等问题。biocl和cus都是典型的层状结构材料，较大的层间距能够容纳大尺寸的锌离子，作为锌离子电池负极具有一定潜力。但是这两种材料本身导电特性不理想、循环过程中的体积变化等容易导致电池倍率性能差、循环不稳定等问题。

3、针对现有的锌离子电池负极材料biocl和cus存在的循环过程中结构坍塌，导致锌离子电池容量低以及倍率性能不理想的技术问题，因此，迫切需要寻找一种新的锌离子电池负极材料，以缓解活性材料体积变化，协同增强材料容量性能，从而改善锌离子的存储性能。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种碳纤维负载biocl/cus异质结纳米复合材料及其制备方法和应用，以解决现有的锌离子电池负极材料biocl和cus存在的循环过程中结构坍塌，导致锌离子电池容量低以及倍率性能不理想的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种碳纤维负载biocl/cus异质结纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将硝酸铋、氯化钾溶解在乙二醇/乙醇混合溶剂中，搅拌均匀，再与碳纤维负载cus混合均匀，经水热反应，得到碳纤维的biocl/cus异质结纳米复合材料。

5、优选地，硝酸铋：氯化钾：乙二醇/乙醇混合溶剂：碳纤维负载cus的用量比为(0.1-10)g：(0.1-10)g：80ml：(0.1-5)g。

6、优选地，搅拌反应的时间为6～48h。

7、优选地，水热反应的温度为120-200℃；水热反应的时间为6-48h。

8、优选地，乙二醇/乙醇混合溶剂中，乙二醇：乙醇的体积比为1:1。

9、优选地，所述碳纤维负载cus的制备方法，包括以下步骤：

10、将硝酸铜、硫脲和葡萄糖加入去离子水中，搅拌均匀，再与碳纤维混合，经水热反应，得到碳纤维负载cus；

11、其中，硝酸铜：硫脲：葡萄糖：去离子水：碳纤维的用量比为(0.1-10)g：(0.05-5)g：(0.01-1)g：80ml：(0.1-10)g；

12、水热反应的温度为120-200℃；水热反应的时间为6-48h。

13、本发明还公开了上述制备方法制得的碳纤维负载biocl/cus异质结纳米复合材料。

14、优选地，包含碳纤维基体和碳纤维基本表面负载的biocl/cus异质结纳米复合材料，biocl/cus异质结纳米复合材料与碳纤维基体之间通过c-cu化学键锚定，biocl与cus的异质界面之间存在内建电场，cus的超晶格间距为2.4nm。

15、优选地，biocl/cus异质结的基本单元为纳米片团簇而成的微米球，微米球的直径为0.5-5μm，cus纳米片的厚度为30-500nm，biocl纳米片的厚度为1-30nm。

16、本发明还公开了上述碳纤维负载biocl/cus异质结纳米复合材料在制备锌离子电池负极材料中的应用。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、本发明公开了一种碳纤维负载biocl/cus异质结纳米复合材料的制备方法，将硝酸铋、氯化钾溶解在乙二醇/乙醇混合溶剂中，搅拌均匀，再与碳纤维负载cus混合均匀，经水热反应，得到碳纤维负载的biocl/cus异质结纳米复合材料；通过二次溶剂热法在cus表面生长的biocl为超薄的片状结构，有更短的载流子传输路径，能进一步提升电池反应速率，biocl和cus都是层状结构，具有较大的层间距，能够容纳锌离子嵌入和脱出，有效缓冲活性材料biocl/cus异质结纳米复合材料的体积变化，协同增强材料容量性能，从而改善锌离子存储性能，改善锌离子电池性能，biocl与cus形成异质结，并负载在碳纤维上，构建的碳纤维负载biocl/cus异质结纳米复合材料，不仅能够利用碳纤维本身优异导电性有效改善材料体系的导电性，而且biocl/cus异质结构建能够有效缓冲各自体积变化带来的材料结构坍塌。活性材料biocl/cus异质结与碳纤维之间的化学键能将biocl/cus异质结牢固锚定在碳纤维表面，保障了材料在循环过程中不脱落。本发明的制备方法简单，成本低，biocl/cus异质结解决了插层负极性能低的问题，得到的碳纤维的biocl/cus异质结纳米复合材料能够协同发挥biocl和cus的优势，纳米尺寸具有离子扩散路径短的优势，在电池反应中，能够保证电子/离子的快速扩散，从而改善电池倍率性能；解决了现有的锌离子电池插层负极材料存在的活性材料负载量低、循环过程中结构坍塌、锌离子电池容量低以及倍率性能不理想的技术问题，适合于工业化生产及大规模使用储能。

19、本发明还公开了上述制备方法制得的碳纤维负载biocl/cus异质结纳米复合材料，biocl/cus异质结能够协同发挥biocl和cus的优势，碳纤维是优良的导电骨架，负载活性材料后，能够改善材料整体导电性能，且碳纤维负载的活性材料在循环过程中不脱落，异质结能够缓冲材料在循环过程中的体积膨胀，从而整体上保证了材料循环过程中的结构稳定性，保证电池的长循环性能。解决了现有的锌离子电池插层负极材料存在的活性材料负载量低、循环过程中结构坍塌、锌离子电池容量低以及倍率性能不理想的技术问题。

20、进一步地，包含碳纤维基体和碳纤维基本表面负载的biocl/cus异质结纳米复合材料，碳纤维作为柔性导电骨架，同时也可以作为集流体，biocl/cus异质结纳米复合材料与碳纤维基体之间通过c-cu化学键锚定，有效保证了biocl/cus异质结牢固锚地在碳纤维基体表面不脱落；biocl与cus的异质界面之间存在内建电场，内建电场能够加快载流子传输，有效改善材料电池性能；cus的超晶格间距为2.4nm；更大的层间距能够有容纳更多的锌离子嵌入脱出，保证了电池的容量性能优异。

21、进一步地，biocl/cus异质结的基本单元为纳米片团簇而成的微米球，微米球的直径为0.5～5μm，cus纳米片的厚度为30～500nm，biocl纳米片的厚度为1-30nm；biocl为超薄的片状结构，有更短的载流子传输路径，能进一步提升电池反应速率。

22、本发明还公开了上述碳纤维负载biocl/cus异质结纳米复合材料在制备锌离子电池负极材料中的应用，该碳纤维的biocl/cus异质结纳米复合材料作为锌离子电池负极材料时，通过插层反应能够有效缓冲活性材料体积变化，协同增强材料容量性能，从而改善锌离子存储性能。在锌离子电池负极材料应用中具有一定优势。