一种钠离子电池复合负极材料及其制备方法技术

一种钠离子电池复合负极材料及其制备方法，它属于钠离子电池负极材料领域。本发明专利技术所要解决的技术问题为开发新的钠离子电池负极材料。本发明专利技术制备石墨烯泡沫材料，在制备的石墨烯泡沫材料上生长碳纳米管，制备碳纳米管‑石墨烯泡沫复合体材料，将制备的碳纳米管‑石墨烯泡沫复合体材料进行表面处理，配置二氧化钒纳米片反应液，将制备的碳纳米管‑石墨烯泡沫复合体材料完全置于配置的二氧化钒纳米片反应液中，控制反应温度175～185℃，反应时间3～3.5h，反应后取出产物，用去离子水和酒精冲洗数次、干燥、退火2～2.5小时。本发明专利技术用于钠离子电池负极材料，提高活性物质的导电性和电池的能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池复合负极材料及其制备方法
本专利技术属于钠离子电池负极材料领域；具体涉及一种钠离子电池复合负极材料及其制备方法。
技术介绍
目前人类获取能源的主要方式是通过化石燃料的燃烧，然而化石燃料的大量燃烧不仅会导致资源枯竭，还会带来了严重的环境污染和气候变暖等问题。因此，开发可再生、环保的能量存储与转换技术成为全球范围内的研究目标。锂离子电池以高可逆比容量，长循环寿命以及环境友好等优势，吸引了广大科研工作者的关注，并广泛应用于便携式电子设备中。但是，地球上锂资源匮乏，难以维持人类日益增加的能源需求。因此，开发资源丰富，低成本，绿色安全的可替代锂离子电池的新型能量存储与转换系统迫在眉睫。同主族的钠元素具有与锂相似的电化学性质，并且钠元素在地壳中分布广泛，因此近年来钠离子电池研究热度逐年上升。众所周知，与锂离子电池相似，制约着钠离子电池电化学性能的主要因素为电极材料，因此，探索合适的储钠材料为研究的重中之重。钠离子具有更大的离子半径，充放电过程中需要更为广阔的离子通道，导致不可以直接使用锂离子的宿主材料作为钠离子电池的电极材料。大多数材料作为钠离子电池电极时具有迟缓的电化学反应动力学，因此并不是所有锂离子电池电极材料都适用于做钠离子电极。
技术实现思路
本专利技术目的是提供了一种钠离子电池复合负极材料及其制备方法。本专利技术通过以下技术方案实现：一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：步骤a、制备石墨烯泡沫材料，待用；步骤b、在步骤a制备的石墨烯泡沫材料上生长碳纳米管，制备碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料，待用；步骤c、将步骤b制备的碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料进行表面处理，处理后待用；步骤d、配置二氧化钒纳米片反应液，待用；步骤e、将步骤c制备的碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料完全置于步骤d配置的二氧化钒纳米片反应液中，控制反应温度175～185℃，反应时间3～3.5h，反应后取出产物，用去离子水和酒精冲洗3～5次，置于120～130℃真空烘箱中干燥6～7h。最后，将产物在400～420℃的空气中退火2～2.5小时，即得到一种钠离子电池复合负极材料。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，步骤a中石墨烯泡沫材料的制备方法包括如下步骤：步骤a1、将镍泡沫基底清洗干净，并用5％的稀盐酸浸泡4～6h，用去离子水冲洗3～5次，60℃干燥，待用；步骤a2、将步骤a1处理后的镍泡沫基底置于水平石英管式炉中，向水平石英管式炉中通入氩气和氢气的混合气体、加热至1000℃后保持5min，然后以氩气、氢气的混合气体作为载气，经液态乙醇带入反应腔体内，在1000℃保持5min，然后恢复为通入氩气和氢气的混合气体迅速降温至室温，得到的样品，待用；步骤a3、将步骤a2得到的样品浸泡在1mol/l的FeCl3和5wt％的稀盐酸的混合溶液中，48小时后取出，得到石墨烯泡沫材料。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，步骤a1中的镍泡沫基底尺寸为2cm×2cm～8cm×8cm，镍泡沫基底的厚度为0.9～1.1mm。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，步骤a2中氩气和氢气的混合气体中氩气的流速为280sccm、氢气的流速为20sccm，氩气、氢气载气的混合气体中氩气的流速为160sccm、氢气的流速为40sccm。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，步骤b中碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料的制备方法包括如下步骤：步骤b1、配置镍钴催化剂，将1mmolNi(NO3)2·6H2O和2mmolCo(NO3)2·6H2O分别先后加入到40毫升去离子水中，超声15分钟后加入12mmol尿素，再超声15分钟，得到所述的镍钴催化剂；步骤b2、将步骤a制备的石墨烯泡沫材料上生长碳纳米管置于步骤b1得到的所述的镍钴催化剂，在120℃进行水热反应2h，自然冷却至室温，得到镍钴复合石墨烯泡沫材料；步骤b3、将步骤b2制得的镍钴复合石墨烯泡沫材料置于水平石英管式炉中，向水平石英管式炉中通入氩气、加热至750℃后通入氩气、氢气、乙烯的混合气体保持10min，然后恢复为通入氩气迅速降温至室温，得到碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，步骤b3中氩气的流速为100sccm，氩气、氢气、乙烯的混合气体中氩气的流速为100sccm、氢气的流速为40sccm，乙烯的流速为20sccm。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，步骤c中的碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料表面处理为将步骤b制得的碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料置于浓硫酸中，120℃煮沸2h。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，表面处理后的碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料质量密度为0.65～0.66mg/cm2。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，步骤d中二氧化钒纳米片反应液的配置方法包括如下步骤：步骤d1、称量1.2gV2O5粉末和1.8g草酸粉末，溶于40ml去离子水中，热水浴75℃，直至粉末全部溶解，得到混合溶液，待用；步骤d2、量取5ml步骤1得到的混合溶液，转移至30ml反应釜，并向其中加入1ml的30wt％的过氧化氢和20ml无水乙醇，持续搅拌20min，得到二氧化钒纳米片反应液。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法制备的一种钠离子电池复合负极材料，所述的一种钠离子电池复合负极材料的容量≦650mAhg-1。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料相比于传统的粉末电极材料，通常追求较小的颗粒尺寸，即纳米材料。纳米材料相较于块状材料具有更大的活性表面积，更利于钠离子的嵌入和脱出，然而，过小的纳米尺寸，在充放电过程中容易产生颗粒团聚现象，弱化了纳米材料的优势。本专利技术将纳米材料与阵列电极结合，成功的利用一步溶剂热的方法，将VO2纳米片均匀镶嵌在导电基底GF(泡沫石墨烯，grapheneFoam)/CNTs(碳纳米管，carbonnanotubes,CNTs)表面，既发挥了纳米材料高活性表面的优势，又提高活性物质的导电性，同时提升了电池的能量密度。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料的有益效果如下：(1)GF是多孔、质量轻、导电性极好的一种基底材料，长在GF上的CNTs是一种提供高孔隙率、高柔韧度，高长径比的一维材料。三维结构的GF/CNTs纳米复合薄膜具有超大的比表面积，超高的导电能力，高孔隙率，和良好的浸润性，因此是极好的离子和电子传输骨架结构；(2)三维的CNTs/GF薄膜作为可弯曲的柔性柔性基底具有超强的导电性，是极好的集流体，并且其超轻的质量，大大提高了钠离子电池的比容量；(3)二维超薄的VO2纳米片直接嵌在GF/CNTs薄膜表面，不需要导电物质和粘合剂和的添加，进一步提高了传统粉末电极材料的能量密度；(4)纳米材料相较于块状材料具有更大的活性表面积，更利于钠离子的嵌入和脱出，然而，过小的纳米尺寸，在充放电过程中容易产生颗粒现象，弱化了纳米材料的优势。本专利技术所述的一种钠离子电池复合负极材料，将纳米材料与阵列电极结合，成功将VO2纳米片均匀镶嵌在导电基底GF/CNTs表面，克服了纳米材料的团聚，既发挥了纳米材料的优势，同时，提高活性物质的导电性；(5)层状结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a、制备石墨烯泡沫材料，待用；步骤b、在步骤a制备的石墨烯泡沫材料上生长碳纳米管，制备碳纳米管‑石墨烯泡沫复合体材料，待用；步骤c、将步骤b制备的碳纳米管‑石墨烯泡沫复合体材料进行表面处理，处理后待用；步骤d、配置二氧化钒纳米片反应液，待用；步骤e、将步骤c制备的碳纳米管‑石墨烯泡沫复合体材料完全置于步骤d配置的二氧化钒纳米片反应液中，控制反应温度175～185℃，反应时间3～3.5h，反应后取出产物，用去离子水和酒精冲洗3～5次，置于120～130℃真空烘箱中干燥6～7h。最后，将产物在400～420℃的空气中退火2～2.5小时，即得到一种钠离子电池复合负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a、制备石墨烯泡沫材料，待用；步骤b、在步骤a制备的石墨烯泡沫材料上生长碳纳米管，制备碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料，待用；步骤c、将步骤b制备的碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料进行表面处理，处理后待用；步骤d、配置二氧化钒纳米片反应液，待用；步骤e、将步骤c制备的碳纳米管-石墨烯泡沫复合体材料完全置于步骤d配置的二氧化钒纳米片反应液中，控制反应温度175～185℃，反应时间3～3.5h，反应后取出产物，用去离子水和酒精冲洗3～5次，置于120～130℃真空烘箱中干燥6～7h。最后，将产物在400～420℃的空气中退火2～2.5小时，即得到一种钠离子电池复合负极材料。2.根据权利要求1所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，其特征在于：步骤a中石墨烯泡沫材料的制备方法包括如下步骤：步骤a1、将镍泡沫基底清洗干净，并用5％的稀盐酸浸泡4～6h，用去离子水冲洗3～5次，60℃干燥，待用；步骤a2、将步骤a1处理后的镍泡沫基底置于水平石英管式炉中，向水平石英管式炉中通入氩气和氢气的混合气体、加热至1000℃后保持5min，然后以氩气、氢气的混合气体作为载气，经液态乙醇带入反应腔体内，在1000℃保持5min，然后恢复为通入氩气和氢气的混合气体迅速降温至室温，得到的样品，待用；步骤a3、将步骤a2得到的样品浸泡在1mol/l的FeCl3和5wt％的稀盐酸的混合溶液中，48小时后取出，得到石墨烯泡沫材料。3.根据根据权利要求2所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，其特征在于：步骤a1中的镍泡沫基底尺寸为2cm×2cm～8cm×8cm，镍泡沫基底的厚度为0.9～1.1mm。4.根据权利要求2所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，其特征在于：步骤a2中氩气和氢气的混合气体中氩气的流速为280sccm、氢气的流速为20sccm，氩气、氢气载气的混合气体中氩气的流速为160sccm、氢气的流速为40sccm。5.根据权利要求1所述的一种钠离子电池复合负极材料的制备方法，其特征在于：步骤b中碳纳米管-石墨烯泡沫复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明华，晁栋梁，梁心琪，陈庆国，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23