一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，本发明专利技术将球磨之后的红磷与碳纳米管通过蒸发

【技术实现步骤摘要】
一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用


[0001]本专利技术属于电池/电容器领域，具体涉及一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用。

技术介绍

[0002]目前，清洁能源的发展和高效储能体系的建立变得越来越重要。商业化锂离子电池拥有高的能量密度(150～200Wh
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‑1)，但是功率密度不够理想(低于350W
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‑1)。同时，超级电容器有着超高功率密度(约10kW
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‑1)，然而能量密度相对较低(低于10Wh
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‑1)。锂离子电容器得到了一些专家学者们的关注，而为了实现大规模储能，钠离子电容器的研究具有成本低廉、来源广泛的优势。钠离子电容器的充放电机制为：正极材料通过表面可逆的吸脱附反应储能，负极材料是通过钠离子的可逆脱嵌反应实现储能。钠离子电容器更高的能量密度来自于电池型负极的法拉第反应，而更高的功率密度来自于电容型的正极。然而钠离子电容器的功率密度和能量密度依然不能满足大规模储能的要求。原因是钠离子扩散缓慢并且在充放电过程中对电极材料产生更大的破坏，在电极材料、电解液和实际应用方面仍然面临着较多问题需要解决。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，以解决现有技术中，钠离子扩散缓慢并且在充放电过程中对电极易产生较大破坏的问题。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0005]一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，包括以下步骤：
[0006]步骤1，在保护气氛下，将红磷在球磨罐中球磨；
[0007]步骤2，将球磨后的红磷和碳纳米管混合后在加热炉内加热，冷却后获得红磷/碳纳米管复合材料；
[0008]步骤3，将红磷/碳纳米管复合材料作为负极，活性炭作为正极，组装成钠离子电容器，所述钠离子电容器的工作电压范围为1
‑
4.2V。
[0009]本专利技术的进一步改进在于：
[0010]优选的，步骤1中，球磨转速为400～600r/min。
[0011]优选的，步骤1中，球磨时间为20～30h。
[0012]优选的，步骤1中，保护气氛为氩气。
[0013]优选的，步骤2中，红磷和碳纳米管的混合质量比为2:1。
[0014]优选的，步骤2中，在马弗炉中加热。
[0015]优选的，步骤2中，加热过程为，以3～8℃
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‑1的速率将炉内温度升到450℃，然后在450℃下保持2小时。
[0016]优选的，步骤2中，冷却过程为，红磷和碳纳米管在炉内以1～3℃
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min
‑1的速率冷
却到300℃，然后在300℃下保持12小时，最后自然冷却至室温。
[0017]优选的，所述正极和负极中活性物质的质量比为5:1。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]本专利技术公开了一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，本专利技术将球磨之后的红磷与碳纳米管通过蒸发
‑
沉积法实现均匀复合，得到红磷/碳纳米管复合材料。利用磷作为合金化反应型负极材料，有着2596mAh
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‑1的高理论比容量和较低的放电电位，同时利用碳复合的方式来提高磷的倍率性能，构建高比能钠离子电容器。具有高理论比容量的红磷能够提升电容器的能量密度，同时碳纳米管的引入增强了材料的导电性，缓解了红磷自身的体积膨胀，使得电容器表现出较高的功率密度和循环稳定性。本专利技术得到的钠离子电容器能量密度可达78.32Wh
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‑1，功率密度可达4.18kW
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‑1。
[0020]本专利技术制得的钠离子电容器在0.25C的倍率下(1C＝25mA
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‑1)，能够获得78.32Wh
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‑1的能量密度，此时对应于52W
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‑1的功率密度；在1.25C的倍率下，能够获得69.61Wh
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‑1的能量密度，此时对应于261W
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‑1的功率密度；在2.5C的倍率下，能够获得58.3W
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‑1的能量密度，此时对应于522W
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‑1的功率密度；在5C的倍率下，能够获得45.25W
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‑1的能量密度，此时对应于1.044kW
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‑1的功率密度；在20C的倍率下，能够获得13.9Wh
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‑1的能量密度，此时对应于4.18kW
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‑1的功率密度。在5C倍率下能够持续循环250周而保持稳定，有着60％左右的容量保持率。
附图说明
[0021]图1为本专利技术涉及材料的扫描电子显微镜图；
[0022]其中：(a)为红磷/碳纳米管负极材料的扫描电子显微镜图；
[0023](b)为活性炭正极材料的扫描电子显微镜图；
[0024]图2为实施例1中组装的钠离子电容器的充放电曲线；
[0025]图3为实施例2中组装的钠离子电容器的电化学性能图；
[0026]其中：(a)为实施例2中组装的钠离子电容器的充放电曲线；
[0027](b)为实施例2中组装的钠离子电容器的倍率性能图；
[0028](c)为实施例2中组装的钠离子电容器的循环性能图；
[0029](d)为实施例2中组装的钠离子电容器与其他体系的Ragone图。
具体实施方式
[0030]下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：
[0031]本专利技术公开了一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，包括以下步骤：
[0032](1)在保护气氛下，将红磷放进球磨罐中进行球磨，球磨之后的红磷粒径在80
‑
100nm范围内；其中，红磷球磨的时间为20～30小时，球磨机转速为400～600r/min，保护气氛为氩气。
[0033](2)将步骤(1)得到的红磷与碳纳米管按照质量比2:1混合均匀，所述碳纳米管为多壁结构，直径为10
‑
20nm，长度为10
‑
30μm，把得到的混合物放进一个玻璃管中抽成真空气氛，用马弗炉进行加热，经过加热之后的红磷进一步升华为磷蒸汽，部分沉积在碳纳米管表
面，使得红磷与碳纳米管实现更加均匀的复合，最终得到红磷/碳纳米管复合材料。马弗炉的温度程序设置为：以3～8℃
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min
‑1的速率把温度升到450℃，接着在此温度下保持2小时，使得红磷升华本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在保护气氛下，将红磷在球磨罐中球磨；步骤2，将球磨后的红磷和碳纳米管混合后在加热炉内加热，冷却后获得红磷/碳纳米管复合材料；步骤3，将红磷/碳纳米管复合材料作为负极，活性炭作为正极，组装成钠离子电容器，所述钠离子电容器的工作电压范围为1
‑
4.2V。2.根据权利要求1所述的一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，其特征在于，步骤1中，球磨转速为400～600r/min。3.根据权利要求1所述的一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，其特征在于，步骤1中，球磨时间为20～30h。4.根据权利要求1所述的一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，其特征在于，步骤1中，保护气氛为氩气。5.根据权利要求1所述的一种红磷/碳纳米管复合材料在钠离子电容器中的应用，其特征在于，步骤2中...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋江选，张婷，冯杨阳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：