一种用于钠离子电池的复合纳米材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于钠离子电池负极的VS2/氮掺杂Ti3C2T

【技术实现步骤摘要】
一种用于钠离子电池的复合纳米材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及新能源材料领域，尤其涉及一种用于钠离子电池负极的复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着社会的不断发展，人们对于能源的需求也越来越大，能源紧缺的问题也日益紧迫。太阳能、风能、潮汐能和地热能等清洁能源被认为是传统化石能源的理想替代品，但是它们却具有间歇性和周期性的特点。目前，发展高效的储能技术将清洁能源储存下来并持续性的利用是一个重要的研究方向。众所周知，锂离子电池因为具有循环稳定性好、安全性高、能量密度高及环境友好等优点，被广泛的应用于智能设备、交通运输等方面，但地壳中锂的含量只有0.0065 %，价格较为昂贵且分布十分不均匀，故锂离子电池不是理想的下一代大规模能量储能器件。与锂相比，地壳中钠含量较高（≈2.75 wt%），资源分布十分广泛，并且钠和锂位于元素周期表的同一族，具有类似的物理化学性质以及相类似的充放电机理。由此可见，钠离子电池可以成为锂离子电池的理想替代品。
[0003] 钠离子电池同锂离子电池类似，由正极、负极、隔膜、电解液和集流体等部分构成，其中正极和负极对于钠离子电池的性能影响很大，故目前的研究主要集中在这两个方面。由于钠离子电池和锂离子电池具有相似性，很多在锂离子电池体系研究得较为成熟的材料被认为很有希望应用于钠离子电池中。但是，Na
+
（0.98
ꢀÅ
）的半径要大于Li
+
（0.69
Å
），对于材料内部的空间大小要求较大，并且较大的体积还使得钠离子扩散速度较慢以及嵌入脱出过程中体积变化较大，会影响比容量、倍率等电化学性能。理想的钠离子电池负极材料应该具有以下优点：工作电位低；可逆脱嵌钠离子快速；化学性能稳定；电子导电率和离子导电率高；成本低。而目前的钠离子负极主要有碳基材料、钛基材料、合金类材料、过渡金属氧化物和过渡金属硫族化合物。
[0004]MXene（M
n+1
X
n
T
x
）是一种新型的二维层状过渡金属碳氮化物，层间距大，导电性好，可以通过选择性刻蚀MAX相中的A层来得到。Ti3C2T
x
是MXene材料的一种，一般通过刻蚀前驱体Ti3AlC2得到，其刻蚀条件、物理和电化学性能已被广泛的研究。Ti3C2T
x
在钠离子电池应用中具有较低的扩散势垒，有利于钠离子的快速扩散，被认为是钠离子负极的理想材料。但Ti3C2T
x
由于层间具有较强的作用力，会产生重堆叠，从而减少电解液与材料电化学活性位点的接触，降低其电化学性能。目前，如何提高Ti3C2T
x
纳米片在钠离子电池应用中的电化学性能，是目前该材料研究的主要问题。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术中的上述问题，本专利技术旨在研究开发一种新型的Ti3C2T
x
基复合材料，以解决Ti3C2T
x
由于层间的强作用力产生重堆叠、减少电解液与材料电化学活性位点的接触、从而降低其电化学性能的技术问题，提高Ti3C2T
x
在钠离子电池中的应用性能。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]首先，本专利技术提供了一种用于钠离子电池负极的VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料。
[0008]通过具有高理论比容量的间隔物来减少Ti3C2T
x
层之间的堆叠来改进电化学性能。其中，高理论比容量的间隔物选择了VS2。VS2是层状过渡金属硫化物中的一种，具有典型的金属特性，V层和S层通过微弱的范德华力结合，而V层被夹在两个S层的中间，从而形成S
‑
V
‑
S的三明治结构。这种层状结构有利于钠离子的脱嵌，故VS2用于钠离子电池具有高达932 mAh g
‑1的理论比容量。具有高比容量的VS2能够减少Ti3C2T
x
层之间的堆叠，增大材料与电解液之间的接触面积，提高复合材料的容量。另外，通过引入氮原子能够改变Ti3C2T
x
电极材料的电子供体能力，提高了Ti3C2T
x
的导电性，从而进一步增强复合材料的电化学性能。此外，氮掺杂Ti3C2T
x
能够为VS2提供稳定的导电基底，在一定程度上缓解VS2在电化学循环中的体积膨胀，提升循环寿命。因此，本专利技术提供的VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料将VS2和Ti3C2T
x
两种材料的优势相结合、短板相弥补，可得到比容量高、循环寿命长和导电性好等优点的复合材料，是一种具有极大潜力的钠离子电池负极材料。
[0009]本专利技术提供的用于钠离子电池负极的VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料，其中氮掺杂Ti3C2T
x
为二维层状结构的二维层状纳米材料，其层间形成堆叠，具有高理论比容量的VS2纳米片均匀的分散在具有高导电性的氮掺杂Ti3C2T
x
表面和层间；其中，VS2纳米片呈花瓣状，边缘卷曲，其尺寸约100
‑
200nm，该复合纳米材料整体粒度较大，平均尺寸约为3
‑
5μm。
[0010]进一步地，所述VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料中，VS2和氮掺杂Ti3C2T
x
的质量比为1:3
‑
3:1。
[0011]进一步地，所述VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料用作钠离子电池负极时，在0.2 A g
‑1电流密度下，循环200圈后具有264mAhg
‑1的放电比容量，并且库伦效率接近于100%，具有优异的循环寿命，循环稳定性且可逆性优异。
[0012]本专利技术还提供了制备上述用于钠离子电池负极的VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料的方法。通过溶剂热法制备了VS2，通过酸刻蚀法和溶剂热法制备了氮掺杂Ti3C2T
x
，再将氮掺杂Ti3C2T
x
和VS2进行单的液相复合，得到了所述VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料。其具体步骤包括：1）酸刻蚀法制备Ti3C2T
x
：将LiF加入盐酸溶液中搅拌，直至LiF完全溶解；再在溶液中加入Ti3AlC2，在一定温度下搅拌进行刻蚀反应；反应后通过多次加去离子水离心使产物膨胀且pH至中性；最后利用多次的超声和离心收集墨绿色的Ti3C2T
x
纳米片分散液并标定浓度。
[0013]2）溶剂热法制备氮掺杂Ti3C2T
x
：取一定量的Ti3C2T
x
纳米片分散液，反复加入无水乙醇离心，得到Ti3C2T
x
纳米片的乙醇分散液，在Ti3C2T
x<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于钠离子电池负极的VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料，其特征在于：所述氮掺杂Ti3C2T
x
为二维层状结构，层间形成堆叠，所述VS2为纳米片状， VS2纳米片均匀的分散在氮掺杂Ti3C2T
x
表面和层间；其中，VS2纳米片呈花瓣状，边缘卷曲，其平均尺寸100
‑
200nm；所述复合纳米材料的粒度平均尺寸为3
‑
5μm。2.根据权利要求1所述一种用于钠离子电池负极的VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料，其特征在于：所述VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料中，VS2和氮掺杂Ti3C2T
x
的质量比为1:3
‑
3:1。3.根据权利要求1所述一种用于钠离子电池负极的VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料，其特征在于：所述VS2/氮掺杂Ti3C2T
x
复合纳米材料用作钠离子电池负极时，在0.2 A g
‑1电流密度下，循环200圈后达到264 mAhg
‑1的放电比容量，且库伦效率接近于100%。4.制备权利要求1
‑
3任一项所述一种用于钠离子电池负极的VS2/氮掺杂Ti3C2T
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复合纳米材料的方法，其特征在于，包括至少下述步骤：1）酸刻蚀法制备Ti3C2T
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：将LiF加入盐酸溶液中搅拌，直至LiF完全溶解；再在溶液中加入Ti3AlC2，搅拌进行刻蚀反应；反应后通过多次加去离子水离心使产物膨胀且pH至中性；最后利用多次的超声和离心收集墨绿色的Ti3C2T
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纳米片分散液并标定浓度；2）溶剂热法制备氮掺杂Ti3C2T
x
：取Ti3C2T
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纳米片分散液，反复加入无水乙醇离心，得到Ti3C2T
x
纳米片的乙醇分散液，在Ti3C2T
x
纳米片的乙醇分散液中加入过量的尿素后进行溶剂热反应；将溶剂热反应的产物分别用无水乙醇和去离子水离心清洗多次，再加入去离子水后超声得到氮掺杂Ti3C2T
x
纳米片分散液并标定其浓度；3）溶剂热法制备VS2：将偏钒酸铵加入到乙二醇中，在设定温度下搅拌得到橙色溶液，待其冷却后，溶液变为淡黄色，加入硫代乙酰胺和尿素进行溶剂热反应，反应后的产物通过乙醇清洗并干燥，得到VS2·
NH3前驱体，经退火后得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕建国，吴洋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：