一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒、制备方法及应用，纳米棒由磷酸钒钠颗粒作为内核，石墨化碳作为包覆外壳构成；纳米棒直径为10～15nm，长度为150～250nm；磷酸钒钠内核颗粒的直径为4～8nm，石墨化碳外壳壁厚为2～4nm；本发明专利技术得到的一维核壳纳米棒结构，由内部的磷酸钒钠颗粒和外部包覆的石墨化碳层构成；尺寸较小，比表面积较大，有利于电解液的浸润和传输；碳包覆层不仅可以加快电子传输速率，还可以缓冲充放电过程中Na

【技术实现步骤摘要】
一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及钠离子电池电极材料
，具体涉及一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]由于人们不断增长的能源需求、化石燃料的资源有限以及使用化石燃料所造成的环境污染问题，可再生能源的转换和储存引起了人们的极大关注。目前，尽管锂离子电池(LIB)已具有广泛的商业用途，但锂资源有限且分布不均，使得因具有类似储能机制且在地球上储量丰富的钠离子电池成为其商业用途的替代品。此外，在实际应用时，还应考虑温度对储能装置性能的影响。在低温下，由于离子在固体中的扩散过程缓慢，电池的内部化学性能有所降低，导致其可逆容量和充放电速率大大地下降。这无疑给智能手机、电动汽车、深海/空间探测器等设备的供电带来了巨大的挑战。因此迫切需要探索一些性能优异的钠离子电极材料以实现储能装置在低温下应用时也能表现出优异的性能。
[0003]Na3V2(PO4)3(NVP)是一种很有前景的钠离子电池NASICON型阴极材料，其具有很多常规材料所不具备的优点：一是具有稳定的三维开放骨架结构，为钠离子的传输提供了足够的活性位点和空间；二是其工作电压高且稳定(～3.4V)，理论能量密度也很高(394Wh kg
‑1)。然而，纯NVP颗粒的导电性能较差，导致电子传输较为缓慢，因此电化学性能较差。碳包覆层被认为不仅可以加快电子传输速率，还可以缓冲充放电过程中Na+嵌入/脱出过程中产生的应变力，电化学反应的活性位点也多，可促进充放电过程中的离子和电子转移。一维纳米结构也被认为非常有利于电子的连续传递。因此，从理论上来讲，构筑出一种具有更小尺寸的NVP颗粒且其表面覆盖有高导电性连续碳层的超细纳米结构，对缩短离子传输路径和提高电子传输速率以使得钠离子电池能够具有优异的低温性能是非常理想的。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术存在的问题提供一种可以促进充放电过程中离子和电子转移，并可以缓冲低温下充放电过程所产生的应变力，实现钠离子电池在低温下具有优异性能的磷酸钒钠@碳核壳纳米棒、制备方法及应用。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒(命名为NVP@C
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Nanorod)，纳米棒由磷酸钒钠颗粒作为内核，石墨化碳作为包覆外壳构成；纳米棒直径为10～15nm，长度为150～250nm；磷酸钒钠内核颗粒的尺寸为4～8nm，石墨化碳外壳壁厚为2～4nm。
[0007]进一步的，所述磷酸钒钠晶体的(113)面对应的晶格间距为0.37nm，石墨化碳晶格清晰对应的晶格间距0.34nm。
[0008]进一步的，所述纳米棒直径为10nm，长度为200nm；磷酸钒钠颗粒的尺寸为5nm，石墨化碳外壳壁厚为2nm。
[0009]一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒的制备方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1：在65℃条件下，将浓度比为3:2的磷酸二氢钠溶液和偏钒酸铵溶液混合；磷酸二氢钠和偏钒酸铵溶液的体积相同；混合溶液经磁力搅拌20min后即可得到混合溶液A；
[0011]步骤2：将混合溶液A和甘油充分混合，得到混合溶液B；混合溶液B中甘油的体积比为23.3％；
[0012]步骤3：将步骤2得到的混合溶液B进行微波水热合成反应，在180℃条件下反应60～120min后，自然冷却即得产物；
[0013]步骤4：将步骤3得到的产物冷冻干燥48～72小时；
[0014]步骤5：将冷冻干燥后的产物在保护气氛下，升温到750℃煅烧，冷却后即可得到所需磷酸钒钠@碳核壳纳米棒。
[0015]进一步的，所述步骤1中磷酸二氢钠溶液的浓度为300mmol/L，偏钒酸铵的浓度为200mmol/L。
[0016]进一步的，所述步骤3中微波条件为：频率2.45GHz，功率为800W。
[0017]进一步的，所述步骤5中以2℃/min升温至750℃然后进行煅烧，处理过程为14h。
[0018]一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒的应用，所述磷酸钒钠@碳核壳纳米棒作为钠离子电池的电极材料。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020](1)本专利技术得到的一维核壳纳米棒结构，由内部的磷酸钒钠颗粒和外部包覆的石墨化碳层构成；尺寸较小，比表面积较大，有利于电解液的浸润和传输；
[0021](2)本专利技术得到的一维核壳纳米棒结构具有石墨化碳包覆层的构造，电化学反应的活性位点较多，可以加快电子传输速率，其作为钠离子电池正极材料在低温下能够促进充放电过程中的离子和电子转移；
[0022](3)本专利技术得到的一维核壳纳米棒结构具有石墨化碳包覆层的构造，可以缓冲放电过程中Na
+
的嵌入/脱出所产生的应变力，使得钠离子电池正极在低温下具有优异的倍率性能、循环性能和电化学稳定性。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例1得到的NVP@C
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Nanorod的XRD图。
[0024]图2为本专利技术实施例1得到的NVP@C
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Nanorod的SEM图。
[0025]图3为本专利技术实施例1得到的NVP@C
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Nanorod在不同放大倍数下(比例尺200nm)的TEM图。
[0026]图4为本专利技术实施例1得到的NVP@C
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Nanorod在不同放大倍数下(比例尺50nm)的TEM图。
[0027]图5为本专利技术实施例1得到的NVP@C
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Nanorod在不同放大倍数下(比例尺5nm)的TEM图。
[0028]图6为本专利技术实施例1得到的NVP@C
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Nanorod经过强酸洗涤后的SEM图。
[0029]图7为本专利技术实施例1得到的NVP@C
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Nanorod经过强酸洗涤后的TEM图。
[0030]图8为本专利技术对比例1得到的结构SEM图。
[0031]图9为本专利技术对比例2得到的结构SEM图。
[0032]图10为本专利技术对比例3得到的结构SEM图。
[0033]图11为本专利技术对比例4得到的结构SEM图。
[0034]图12为本专利技术对比例5得到的结构SEM图。
[0035]图13为本专利技术对比例6得到的结构SEM图。
[0036]图14为本专利技术对比例7得到的结构SEM图。
[0037]图15为本专利技术实施例1得到的NVP@C
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Nanorod作为钠离子电池正极材料，电池放电容量和库仑效率随时间和循环次数的变化曲线。
[0038]图16为本专利技术实施例1得到的NVP@C
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒，其特征在于，纳米棒由磷酸钒钠颗粒作为内核，石墨化碳作为包覆外壳构成；纳米棒直径为10～15nm，长度为150～250nm；磷酸钒钠内核颗粒的尺寸为4～8nm，石墨化碳外壳壁厚为2～4nm。2.根据权利要求1所述的一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒，其特征在于，所述磷酸钒钠晶体的(113)面对应的晶格间距为0.37nm，石墨化碳晶格清晰对应的晶格间距0.34nm。3.根据权利要求1所述的一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒，其特征在于，所述纳米棒直径为10nm，长度为200nm；磷酸钒钠颗粒的尺寸为5nm，石墨化碳外壳壁厚为2nm。4.如权利要求1～3任一种磷酸钒钠@碳核壳纳米棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在65℃条件下，将浓度比为3:2的磷酸二氢钠溶液和偏钒酸铵溶液混合；磷酸二氢钠和偏钒酸铵溶液的体积相同；混合溶液经磁力搅拌20min后即可得到混合溶液A；步骤2：将混合溶液A和甘油充分混合，得到混合溶液B；混合溶液B中甘油的体...

【专利技术属性】
技术研发人员：周艳萍，刘艳景，黄卡玛，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：