一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用制造技术

本发明专利技术公开一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用，是所述超薄钒酸铁纳米片作为负极活性材料应用于钠离子电池及钠离子电容器中，并通过简单经济的工艺快速地合成了超薄钒酸铁纳米片。基于超薄钒酸铁纳米片独特的赝电容储钠行为，采用该超薄钒酸铁纳米片作为储钠负极活性材料时，其表现出优异的高比容量、高倍率性能和长循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用
本专利技术涉及电化学材料
，具体涉及的是一种超薄钒酸铁纳米片作为负极活性材料在钠离子电池及钠离子电容器中的应用。
技术介绍
随着全球经济和人口持续增长、能源需求与日俱增，节能减排和新型绿色能源的高效利用变得尤为重要。高性能电化学储能器件的开发与应用是节能减排与大规模绿色能源技术发展的关键环节，受到国家各部司的重视与大力推广。锂离子电池因其比能量高的优点，已广泛应用于电子产品、电动汽车、部分侧网储能等领域。离子电容器作为一种新型的储能器件，较双电层电容器的能量密度更高，并且兼顾高功率密度的优点，应用在公共巴士、能源回收等领域。然而，地壳中有限的锂资源限制了锂离子电池的可持续、规模化应用，因此寻找可替代锂资源来发展下一代新型高性能储能器件成为迫在眉睫的问题。由于钠具有与锂相似的物理和化学性质，同时钠储量丰富(约占地壳中的2.64wt.％)、分布广泛，发展基于钠离子的电化学储能器件(包括钠离子电池和钠离子电容器)，有望实现在可持续、低成本、大规模的绿色储能和城市公共交通上的广泛运用，是国家的可持续发展需求，具有显著的经济效益。相比于锂离子半径为钠离子具有更大的离子半径为一般情况下，钠离子在电极活性材料中具有较为缓慢的扩散动力学特性，且在嵌入脱出过程中对电极材料造成严重的结构劣化，进而导致差的倍率性能和循环使用寿命，这使得寻找合适的储钠电极材料比储锂电极材料更为困难。开发兼顾高能量密度、高功率密度、长循环寿命及低成本的高性能钠离子电池或钠离子电容器的核心问题在于开发具有高比容量和高倍率储钠性能的负极材料。商业化的石墨负极材料无法满足钠离子的有效嵌入与脱出。近几年报道的嵌入型负极材料，诸如硬碳、Na4Ti5O12、TiO2、Nb2O5、MoS2等，但是它们的首圈库仑效率低；工作电位很低，基本接近于钠离子的还原电位，存在钠枝晶的生长等安全隐患；其倍率性能和循环稳定差。为了有效地解决上述问题，利用赝电容反应机制在高倍率、高功率储能器件方面的巨大潜力，研究具有赝电容储钠特性的钒酸铁负极纳米材料，将解决目前钠离子储能倍率性能差的关键科学问题，从而制备获得高比容量、高倍率性能、长循环的储钠电极活性材料。基于赝电容钠离子储存钒酸铁负极纳米材料目前仍鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用，作为钠离子电池或钠离子电容器中的负极活性材料时，该超薄钒酸铁纳米片表现出优异的高比容量、高倍率性能和长循环寿命。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用，是所述超薄钒酸铁纳米片作为负极活性材料应用于钠离子电池或钠离子电容器中，所述超薄钒酸铁纳米片的制备方法包括以下步骤：步骤1、先将钒酸盐溶解于70～85℃的去离子水中，得到浓度为0.03～0.2mol/L的钒酸盐溶液；步骤2、在室温下，然后将铁盐溶解于去离子水中，得到浓度为0.05～0.5mol/L的铁盐溶液；步骤3、按所述钒酸盐中钒：所述铁盐中铁的摩尔比＝3:1，在搅拌下将步骤2中得到的铁盐溶液加入到步骤1中得到的钒酸盐溶液中，均匀混合，得到混合液；步骤4、然后将步骤3中得到的混合液转入反应釜中，加热至80～180℃进行水热反应1～12h，取出反应釜，自然冷却至室温；步骤5、然后将所述反应釜中水热反应的产物离心分离，依次用去离子水和无水乙醇反复洗涤多次，得沉淀物；步骤6、然后将经过步骤5洗涤后得到的沉淀物分散至去离子水中，进行超声处理10～60min，得到钒酸铁纳米片分散液；步骤7、然后将步骤6得到的所述钒酸铁纳米片分散液进行第一次离心分离，离心时间为3～30min，离心速率为2000～4000转/分钟，取上层分散液；步骤8、最后将上层分散液进行第二次离心分离，离心时间为3～30min，离心速率为8000～12000转/分钟，收集第二次离心分离得到的沉淀物，干燥，即得到所述超薄钒酸铁纳米片，制备得到的所述超薄钒酸铁纳米片的厚度为2.2～10nm，直径为1～3μm。步骤1中，所述钒酸盐包括但不限于偏钒酸铵、偏钒酸钠、钒酸钠和偏钒酸钾。步骤2中，所述铁盐包括但不限于硝酸铁、硫酸铁、氯化铁和高氯酸铁。步骤6中，所述沉淀物与所述去离子水的质量用量比为1:10～100。步骤8中，所述干燥的温度为30～60℃，所述干燥的时间为12～24h。所述超薄钒酸铁纳米片作为负极活性材料与储钠正极材料装配并应用于钠离子电池或钠离子电容器中。所述储钠正极材料包括但不限于磷酸钒钠、氟磷酸钒钠和锰酸钠，所述储钠正极材料的制备方法为本领域公知的制备方法。在该超薄钒酸铁纳米片的制备方法中，为了制备得到超薄钒酸铁纳米片，通过控制钒：铁的摩尔比、水热条件以及超声条件，得到超薄的钒酸铁纳米片，然后将水热反应得到的沉淀物进行超声分散，对分散液进行二次离心分离，第一次离心分离通过控制转速，分离出含有超薄钒酸铁纳米片的上层分散液，第二次离心分离加大转速，使得超薄钒酸铁纳米片沉淀下来，最终得到产物。采用上述技术方案后，本专利技术一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用，利用超薄钒酸铁纳米片的独特赝电容储钠机制，实现了快速且稳定的具有法拉第电荷转移性质的嵌入与表面储钠反应，使得材料展现出优异的高比容量、高倍率性能和循环稳定性。本专利技术的有益效果是：通过简单经济的工艺快速地合成了超薄钒酸铁纳米片，基于超薄钒酸铁纳米片独特的赝电容储钠行为，将其作为钠离子电池或钠离子电容器中的负极活性材料时，超薄钒酸铁纳米片表现出优异的高比容量、高倍率性能和长循环寿命。利用本专利技术涉及的简单、方便、低成本的制备方法合成高性能的超薄钒酸铁纳米片，可以用于兼顾高能量密度与高功率密度的钠离子电池及钠离子电容器，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1的超薄钒酸铁纳米片的场发射扫描电镜图；图2为本专利技术实施例1的超薄钒酸铁纳米片的原子力显微镜图；图3为本专利技术实施例1的超薄钒酸铁纳米片负极在0.1～20A/g电流密度下的充放电曲线；图4为本专利技术实施例1的超薄钒酸铁纳米片装配的钠离子电容器在不同电流密度下的充放电曲线。具体实施方式为了进一步解释本专利技术的技术方案，下面通过具体实施例来对本专利技术进行详细阐述。一、超薄钒酸铁纳米片的制备实施例1一种超薄钒酸铁纳米片的制备方法，包括以下步骤：步骤1、先将12mmol偏钒酸铵溶解于200mL、85℃的去离子水中，得到浓度为0.06mol/L的偏钒酸铵溶液，冷却备用；步骤2、在室温下，然后将4mmol硝酸铁溶解于40mL去离子水中，得到浓度为0.1mol/L的硝酸铁溶液；步骤3、于室温，在搅拌下将步骤2中得到的硝酸铁溶液加入到步骤1中得到的偏钒酸铵溶液中，均匀混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用，其特征在于：是所述超薄钒酸铁纳米片作为负极活性材料应用于钠离子电池或钠离子电容器中，所述超薄钒酸铁纳米片的制备方法包括以下步骤：/n步骤1、先将钒酸盐溶解于70～85℃的去离子水中，得到浓度为0.03～0.2mol/L的钒酸盐溶液；/n步骤2、在室温下，然后将铁盐溶解于去离子水中，得到浓度为0.05～0.5mol/L的铁盐溶液；/n步骤3、按所述钒酸盐中钒：所述铁盐中铁的摩尔比＝3:1，在搅拌下将步骤2中得到的铁盐溶液加入到步骤1中得到的钒酸盐溶液中，均匀混合，得到混合液；/n步骤4、然后将步骤3中得到的混合液转入反应釜中，加热至80～180℃进行水热反应1～12h，取出反应釜，自然冷却至室温；/n步骤5、然后将所述反应釜中水热反应的产物离心分离，依次用去离子水和无水乙醇反复洗涤多次，得沉淀物；/n步骤6、然后将经过步骤5洗涤后得到的沉淀物分散至去离子水中，进行超声处理10～60min，得到钒酸铁纳米片分散液；/n步骤7、然后将步骤6得到的所述钒酸铁纳米片分散液进行第一次离心分离，离心时间为3～30min，离心速率为2000～4000转/分钟，取上层分散液；/n步骤8、最后将上层分散液进行第二次离心分离，离心时间为3～30min，离心速率为8000～12000转/分钟，收集第二次离心分离得到的沉淀物，干燥，即得到所述超薄钒酸铁纳米片，制备得到的所述超薄钒酸铁纳米片的厚度为2.2～10nm，直径为1～3μm。/n...

【技术特征摘要】
1.一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用，其特征在于：是所述超薄钒酸铁纳米片作为负极活性材料应用于钠离子电池或钠离子电容器中，所述超薄钒酸铁纳米片的制备方法包括以下步骤：
步骤1、先将钒酸盐溶解于70～85℃的去离子水中，得到浓度为0.03～0.2mol/L的钒酸盐溶液；
步骤2、在室温下，然后将铁盐溶解于去离子水中，得到浓度为0.05～0.5mol/L的铁盐溶液；
步骤3、按所述钒酸盐中钒：所述铁盐中铁的摩尔比＝3:1，在搅拌下将步骤2中得到的铁盐溶液加入到步骤1中得到的钒酸盐溶液中，均匀混合，得到混合液；
步骤4、然后将步骤3中得到的混合液转入反应釜中，加热至80～180℃进行水热反应1～12h，取出反应釜，自然冷却至室温；
步骤5、然后将所述反应釜中水热反应的产物离心分离，依次用去离子水和无水乙醇反复洗涤多次，得沉淀物；
步骤6、然后将经过步骤5洗涤后得到的沉淀物分散至去离子水中，进行超声处理10～60min，得到钒酸铁纳米片分散液；
步骤7、然后将步骤6得到的所述钒酸铁纳米片分散液进行第一次离心分离，离心时间为3～30min，离心速率为2000～4000转/分钟，取上层分散液；
步骤8、最后将上层分散液进行第二次离心分离，离心时间为3～30min，离心速率为8000～12000转/分钟，收集第二次离心分离得到的沉淀物，干燥，...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏湫龙，彭栋梁，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35