层状Na3V2(PO4)3@rGO纳米复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种层状Na3V2(PO4)3@rGO纳米复合材料及其制备方法，该材料可作为高倍率、长寿命钠离子电池正极活性材料，其由纳米级亚单元Na3V2(PO4)3颗粒组成的片状结构和rGO纳米片层层搭接而成。本发明专利技术作为钠离子电池正极活性材料时，该材料表现出优异的循环稳定性与高倍率特性，是高倍率、长寿命钠离子电池的潜在应用材料。本发明专利技术工艺简单，符合绿色化学的要求，对设备要求低，有利于市场化推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料与电化学
，具体涉及一种层状Na3V2(P04)3@rG0纳米复合材料及其制备方法，该材料可作为高倍率、长寿命钠离子电池正极活性材料。
技术介绍
能源的储存在当今社会占有很重要的地位。正如电动汽车、手机、笔记本电脑那样，电动装置和电子产品正在不断地更新换代，这对具备高功率和高能量密度的储能器件有了迫切的要求。为了满足这些需求，锂电池作为一种储能与功能器件，是一种较好的选择，因为它具有高能量密度、长循环寿命和相对比较环保等优点。然而，有限的锂资源必将面临短缺问题，锂元素昂贵且地壳中含量少，这对于发展大规模储能的长寿命储能电池来说，可能会成为一个重要问题，也引起了人们的普遍担忧。钠离子电池的研究开发在一定程度上可缓和因锂资源短缺引发的电池发展受限问题。若在此基础上研制出性能优良、安全稳定的材料，钠离子电池将拥有比锂电池更大的市场竞争优势。作为一种有潜力的正极材料，具有钠超离子导体(NASIC0N)结构的Na3V2(P04)3具有原料便宜，储量丰富，能量密度高等优点，因而被广泛地研究。然而，较低的电子电导率限制了它更长远的发展，为了获得显著的电化学性能，差的倍率和循环问题迫切需要解决。近些年来，碳包覆的Na3V2(P04)3嵌入到多孔碳基板中，显示出了超好的倍率和循环稳定性。石墨烯因其具有极高的电导率，近年来各种纳米形貌的石墨烯和活性物质的复合物已被多次报导，证实了石墨烯对于改善材料的电化学性能具有极其重要的作用。但通过水热法改变Na3V2 (P04) 3前驱体的表面电荷电性，与氧化石墨烯水凝胶界面基团相互作用，形成分散均匀、长期稳定的混合凝胶分散系，然后通过冷冻干燥技术保持前驱体的内部结构，最后通过后期热处理合成一种层状Na3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料仍未见报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种层状Na3V2(P04)3@rGO纳米复合材料及其制备方法，其工艺简单、符合绿色化学的要求，层状Na3V2(P04)3@rG0纳米复合材料具有优良的电化学性能。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种层状Na3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料，由纳米级亚单元Na3V2(P04)3颗粒组成的片状结构以及和rGO纳米片层层搭接而成，采用下述方法制得，包括有以下步骤:1)将Na2C03、V (C5H702) 3、NH4H2P0j$照化学计量比1.5:2:3溶解在去离子水中；所述的 Na2C03为 0.75 ?3mmol ；V (C 5H702) 3为 1 ?4mmol ;ΝΗ4Η2Ρ04为 1.5 ?6mmol ；2)将步骤1)所得溶液超声处理后，再在水浴条件下搅拌；3)将步骤2)所得到的淡蓝色前驱体混合物转移到反应釜中，水热反应，自然冷却至室温；4)向步骤3)得到的绿色果冻状凝胶内加入10?30mg氧化石墨烯并搅拌至均匀分散； 5)将步骤4)所得均匀混合凝胶分散液干燥；6)将步骤5)所得的干燥产物研磨后，锻烧，得到层状Na3V2(P04)3@rG0纳米复合材料粉末。按上述方案，步骤1)所述的去离子水为40?80mL;步骤2)所述的超声功率为60?90kHz，时间为30?60分钟；水浴温度为70?90°C，时间为60?120分钟。按上述方案，步骤3)所述的水热反应温度为180°C ;反应时间为6?24小时。按上述方案，步骤5)所述的干燥是采用冷冻干燥技术。按上述方案，步骤6)所述的煅烧温度为650?750°C ;煅烧气氛为Ar/H2;升温速率为2°C /分钟；煅烧时间为6?10小时。所述的层状Na3V2(P04)3@rG0纳米复合材料的制备方法，包括有以下步骤:1)将Na2C03、V (C5H702) 3、NH4H2P0j$照化学计量比1.5:2:3溶解在去离子水中；所述的 Na2C03为 0.75 ?3mmol ；V (C 5H702) 3为 1 ?4mmol ;ΝΗ4Η2Ρ04为 1.5 ?6mmol ；2)将步骤1)所得溶液超声处理后，再在水浴条件下搅拌；3)将步骤2)所得到的淡蓝色前驱体混合物转移到反应釜中，水热反应，自然冷却至室温；4)向步骤3)得到的绿色果冻状凝胶内加入10?30mg氧化石墨烯并搅拌至均匀分散；5)将步骤4)所得均匀混合凝胶分散液干燥；6)将步骤5)所得的干燥产物研磨后，锻烧，得到层状Na3V2(P04)3@rG0纳米复合材料粉末。所述的层状Na3V2(P04)3@rG0纳米复合材料作为高倍率、长寿命钠离子电池正极活性材料的应用。本专利技术通过水热法改变Na3V2(P04)3前驱体的表面电荷电性，通过与氧化石墨烯水凝胶界面基团相互作用，形成分散均匀、长期稳定的混合凝胶分散系，然后通过冷冻干燥技术保持前驱体的内部结构，最后通过后期热处理合成一种层状Na3V2(P04)3@rG0纳米复合材料，由纳米级亚单元Na3V2(P04)3颗粒组成的片状结构以及和rGO纳米片层层搭接而成，本专利技术大大增加了 Na3V2 (P04) 3材料的导电性，缩短钠离子扩散距离，在钠离子脱嵌过程中缓冲材料体积急剧变化而保证其结构和电化学稳定性，进而大大提高了材料的电化学性能。该材料作为钠电池正极活性材料时，在2.2A/g高电流密度下进行的恒流充放电测试结果表明，其首次放电比容量可达101mAh/g，7000次循环后为79mAh/g，容量保持率达79%。甚至在llA/g和22A/g的超高电流密度下，该材料仍能提供73mAh/g和41mAh/g的比容量。该结果表明该层状Na3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料具有优异的循环稳定性与高倍率特性，是高功率、长寿命钠电池的潜在应用材料。另外，层状Na3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料合成工艺简单，反应条件温和，并且其层状结构通过改变反应物浓度、反应温度和时间即可控制，为探索大规模合成层状纳米复合材料做出了努力。本专利技术的有益效果是:基于混合前驱体胶体界面基团相互作用的合成机制，结合Na3V2 (P04) 3二维片状结构和三维rGO网络结构的独特优势，获得层状Na 3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料。作为钠离子电池正极活性材料时，该材料表现出优异的循环稳定性与高倍率特性，是高倍率、长寿命钠离子电池的潜在应用材料。本专利技术工艺简单，符合绿色化学的要求，对设备要求低，有利于市场化推广。【附图说明】图1是本专利技术实施例1的层状Na3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料的XRD图；图2是本专利技术实施例1的层状Na3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料的SEM图；图3是本专利技术实施例1的层状Na3V2(P04)3@rG0纳米复合材料的TEM图；图4是本专利技术实施例1的层状Na3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料的合成机理图；图5是本专利技术实施例1的层状Na3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料的Raman光谱图；图6是本专利技术实施例1的层状Na3V2 (P04) 3irG0纳米复合材料的倍率图；图7是本专利技术实施例1的层状Na3V2(P04)3@rG0纳米复合材料的高电流密度循环图。【具体实施方式】为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种层状Na3V2(PO4)3@rGO纳米复合材料，由纳米级亚单元Na3V2(PO4)3颗粒组成的片状结构以及和rGO纳米片层层搭接而成，采用下述方法制得，包括有以下步骤：1)将Na2CO3、V(C5H7O2)3、NH4H2PO4按照化学计量比1.5:2:3溶解在去离子水中；所述的Na2CO3为0.75～3mmol；V(C5H7O2)3为1～4mmol；NH4H2PO4为1.5～6mmol；2)将步骤1)所得溶液超声处理后，再在水浴条件下搅拌；3)将步骤2)所得到的淡蓝色前驱体混合物转移到反应釜中，水热反应，自然冷却至室温；4)向步骤3)得到的绿色果冻状凝胶内加入10～30mg氧化石墨烯并搅拌至均匀分散；5)将步骤4)所得均匀混合凝胶分散液干燥；6)将步骤5)所得的干燥产物研磨后，锻烧，得到层状Na3V2(PO4)3@rGO纳米复合材料粉末。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：安琴友，徐亚楠，麦立强，魏湫龙，盛进之，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42