一种柔性钠离子电容器电极材料制造技术

本发明专利技术提供了一种柔性钠离子电容器电极材料，其是将负载金属铋盐的碳基二维薄膜经瞬时加热，得到负载铋纳米颗粒的碳基二维薄膜电极材料。本公开通过真空抽滤结合瞬时加热的手段，在碳基二维薄膜上成功负载纳米量级金属铋，纳米量级的尺寸分布可以有效缓解铋在合金化过程中的体积变化，解决了金属铋在合金化过程中剧烈的体积变化的问题，有效避免了柔性电极的结构粉化，确保柔性钠离子电容器获得优异的循环稳定性。同时，碳基材料作为瞬时加热衬底，具有极佳的结构稳定性，处于秒级的加热时间还可以避免对于碳基衬底的损伤。间还可以避免对于碳基衬底的损伤。间还可以避免对于碳基衬底的损伤。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性钠离子电容器电极材料


[0001]本专利技术属于二次电池电极材料领域。具体的说本专利技术涉及一种柔性钠离子电容器电极材料。

技术介绍

[0002]当前，高度集成化的可穿戴电子设备被广泛应用在了人们的生活中，轻便、灵活的便携式电子设备正在改变人们的生活方式。与此同时，柔性可穿戴电子产品需要具有高体积比性能的储能设备来驱动以实现长续航、满足复杂工况（如机械形变）的目的。与其他现有的储能系统相比，锂离子电池是目前移动设备应用中性能最优的储能设备，其单位质量/体积的能量密度最高，使用寿命长，工作温度范围宽。对于柔性锂离子电池的研究已经引起了学术界和工业界的广泛关注。然而尽管锂基柔性储能设备具有理想的体积比性能，但较低的地壳储量，导致锂资源的成本不断增加。应用在锂基储能设备中的锂正极材料（如高镍材料、磷酸铁锂等）的价格逐年攀升，高昂的成本限制了锂基储能设备的发展。
[0003]与之相反，钠具有天然的丰度且与锂同为碱金属，两者具有相似的理化性质。钠基储能设备的低成本与高安全性使其有望替代锂作为未来主流电化学储能体系实现大规模应用，因而发展高体积比性能的柔性钠基储能设备具有极高的市场价值与长远的战略意义。
[0004]在柔性钠基储能设备中，柔性钠离子电容器综合了超级电容器与二次电池两者的优点，其主要采用两种基本工作原理不同的正负极材料。其中，非法拉第充放电过程发生在电容碳电极上，在负极发生表面和近表面约束的氧化还原反应。柔性电极材料的制备是柔性钠离子电容器的核心。高体积比性能的柔性电极材料可以为柔性钠离子电容器提供更高的能量密度，同时保持良好的循环稳定性。
[0005]相比于Li
+
，Na
+
更大的离子半径会导致钠基储能设备在充放电过程中电化学反应动力学缓慢、可逆容量低、倍率性能差、循环稳定性欠佳。金属铋由于具有较大的层间距，较高的储钠理论容量，可以在低电位下储存大量Na
+
，因而成为了钠基储能设备的研究热点。然而作为合金型负极材料，金属铋在合金化过程中剧烈的体积变化是阻碍其进一步应用的主要限制。
[0006]另外，为了使柔性钠离子电容器在重复机械形变条件下维持稳定的能量输出，柔性电极材料还需具备优良的机械性能。因此，兼具高体积比性能以及优良机械性能的适用于柔性钠基储能设备的电极材料是目前研究人员探索的重点方向。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种柔性钠离子电容器电极材料，旨在为柔性钠离子电容器开发出具有优良机械稳定性、高体积比性能、快速电化学反应动力学的柔性电极材料，解决金属铋在作为负极材料时因合金化过程剧烈体积变化而导致容易粉化的问题。
[0008]本专利技术的目的是这样实现的：
本申请实施方案公开了一种柔性钠离子电容器电极材料，其是在碳基二维薄膜上负载有纳米量级粒径的铋纳米颗粒，并按照以下工艺制成：1）将碳基材料加入表面活性剂溶液中并分散，得到碳相分散液；2）按一定质量比将金属铋盐和/或Bi2O3加入到所述碳相分散液中并分散，得到金属铋盐和/或Bi2O3/碳相分散液；3）将所述金属铋盐和/或Bi2O3/碳相分散液进行抽滤、烘干，得到负载金属铋盐和/或Bi2O3的碳基二维薄膜；4）对所得负载金属铋盐和/或Bi2O3的碳基二维薄膜进行瞬时加热处理，得到可作为柔性钠离子电容器负极材料的负载铋纳米颗粒的碳基二维薄膜电极材料。
[0009]一种优选的实施方案中，步骤2）瞬时加热条件为：以200
‑
1200℃/s的升温速率加热至800
‑
1500℃，并保持在该温度下加热10
‑
30 s。一种更为优选的实施方案是，保持加热的时间为15
±
3s。
[0010]一种优选的实施方案中，瞬时加热方式包括但不限于微波辐照、焦耳加热、碳热冲击等。
[0011]本申请实施方案中，处于秒级的瞬时加热操作不仅使金属铋盐和/或Bi2O3还原为粒径小且均匀的铋纳米颗粒，且不存在团聚问题，同时还避免了碳基二维薄膜结构的损伤，瞬时加热时间对电极材料性能具有重要影响。
[0012]在一种实施方案中，本申请实施例步骤1）中，碳基材料与溶液中表面活性剂质量比为1∶2
‑
3，分散过程为磁力搅拌2
‑
4 h后再继续超声1
‑
2 h。进一步的，表面活性剂包括但不限于十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、曲拉通等中的任意一种或多种。
[0013]在一种实施方案中，本专利技术中碳基材料包括但不限于碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维等具有sp2碳杂化结构的碳材料。
[0014]在一种实施方案中，本申请实施例步骤2）中，金属铋盐和/或Bi2O3与碳基材料质量比为2
‑
3：1；分散过程为将研磨过的金属铋盐和/或Bi2O3投入碳相分散液中后磁力搅拌4
‑
6 h，然后超声30
‑
60 min。
[0015]在一种实施方案中，本专利技术中金属铋盐包括但不限于Bi(NO3)3·
5H2O、BiCl3、柠檬酸铋，其还可以是其它无机三价铋化合物。
[0016]以上步骤1）和步骤2）中超声的目的分别是获得离散性良好的碳相分散液和金属铋盐/碳相分散液。
[0017]本申请的一种实施方案中，在抽滤操作中，50
‑
100 mg碳基材料所获得的碳相分散液即可获得40
‑
80 μm厚的二维薄膜，可根据需求定制薄膜厚度。
[0018]本申请的一种实施方案中，在抽滤操作中，抽滤过程中加入去离子水，以将残留的表面活性剂去除干净。
[0019]一种更为优选的实施方案是，按照如下过程制备负载铋纳米颗粒的碳基二维薄膜电极材料：（1）制备十二烷基硫酸钠溶液：将十二烷基硫酸钠溶于500 mL去离子水中，浓度保持在1.4
‑
1.8 mg mL
−1，利用磁力搅拌器搅拌20
‑
40 min；（2）制备碳相分散液：以碳基材料（包括但不限于碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维
等）∶十二烷基硫酸钠=1∶2的质量比将碳基材料加入到步骤（1）中的十二烷基硫酸钠溶液中，利用磁力搅拌器搅拌2
‑
4 h，随后将混合溶液超声1
‑
2 h得到碳相分散液；（3）制备金属铋盐/碳相分散液：以金属铋盐（包括但不限于Bi(NO3)3·
5H2O、BiCl3、柠檬酸铋等）：碳基材料=3：1的质量比称量研磨后的铋盐加入步骤（2）得到的碳相分散液中，利用磁力搅拌器搅拌4
‑
6 h，随后将混合溶液超声30
‑
60 min得到金属铋盐/碳相分散液；（4）真空抽滤制备负载铋盐的碳基二维薄膜材料：将步骤（3）获得的分散液置于真空抽滤装置中进行抽滤，期间添加去离子水500
‑
800 mL，二维薄膜抽滤完成后，在真空烘箱中烘干6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性钠离子电容器电极材料，其特征是，按照以下工艺制成：1）将碳基材料加入表面活性剂溶液中并分散，得到碳相分散液；2）按一定质量比将金属铋盐和/或Bi2O3加入到所述碳相分散液中并分散，得到金属铋盐和/或Bi2O3/碳相分散液；3）将所述金属铋盐和/或Bi2O3/碳相分散液进行抽滤、烘干，得到负载金属铋盐和/或Bi2O3的碳基二维薄膜；4）对所得负载金属铋盐和/或Bi2O3的碳基二维薄膜进行瞬时加热处理，得到可作为柔性钠离子电容器负极材料的负载铋纳米颗粒的碳基二维薄膜电极材料。2.根据权利要求1所述的柔性钠离子电容器电极材料，其特征是，所述瞬时加热条件为：以200
‑
1200℃/s的升温速率加热至800
‑
1500℃，并保持在该温度下加热10
‑
30 s。3.根据权利要求1所述的柔性钠离子电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恭凯，
申请(专利权)人：华星先进科学技术应用研究天津有限公司，
类型：发明
国别省市：