一种钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料及其制备方法与应用，复合电极材料具有二维片层结构，颗粒粒径为1

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及钠离子电池电极材料
，具体涉及一种钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]钠离子电池具有资源丰富和成本低廉的优势，凸显了在大规模储能和智能电网等应用领域中巨大的天然潜力。然而其能量密度、功率密度和长循环稳定性，仍然是其实用化发展中的短板，需要进一步提升。
[0003]负极材料对电池的能量密度和稳定性起着至关重要的作用。最理想的负极材料应具有较低的放电电压、高的理论容量。同时，首周库伦效率、功率特性以及循环稳定性也是重要的性能指标。钛基负极材料由于其高效的储钠活性、高稳定性、低成本和无毒而引起了极大的兴趣。其中，Na2Ti3O7具有较高的理论容量(310mAh g
‑1)和较低的放电电压平台(0.3V vs Na/Na
+
)，这可以在实际电池中产生更高的工作电压和能量密度。然而，由于Na2Ti3O7材料本身大的带隙(3.7eV)，因此具有缓慢的钠离子嵌入/脱出动力学，此外，Na2Ti3O7晶格中大量钠插入引起严重的结构应变从而暴露出更多的反应性表面位点，导致电解质的连续分解使其具有较低的首周库伦效率，从而表现出较差的循环稳定性。
[0004]目前已有文献主要通过设计纳米颗粒结构(Adv.Mater.2017,29,1700989)、表面掺杂(Adv.Energy Mater.2016,6,1502568)等方式来解决以上问题，但这些策略对离子传输的提升效果有限。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料及其制备方法与应用，提升离子传输速率。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料，具有二维片层结构，颗粒粒径为1
‑
6μm，厚度为10
‑
20nm，由少层还原氧化石墨烯，以及其负载的直径为5
‑
10nm的钛酸钠纳米纤维组成。
[0007]优选地，所述的少层还原氧化石墨烯的质量为钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料质量的10％
‑
20％。
[0008]本专利技术所述的钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合材料是以少层还原氧化石墨烯为模板，均匀负载二氧化钛颗粒后，在碱溶液中水热处理制备而成的。
[0009]本专利技术所述的钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合材料是以溶剂法合成氧化钛，并负载于少层还原氧化石墨烯上形成前驱体，后通过与碱溶液处理得到，整体具有二维片层结构，颗粒粒径约为3μm，厚度约为10
‑
20nm，由少层还原氧化石墨烯，以及其负载的直径为5
‑
10nm的钛酸钠纳米纤维组成。
[0010]一种上述钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下
步骤：
[0011](1)采用溶剂法合成前驱体：将少层还原氧化石墨烯加入到添加有强碱的有机溶剂中，剧烈搅拌后加入钛源，干燥溶剂得到石墨烯负载二氧化钛的混合物，收集黑色沉淀物并干燥，煅烧后获得rGO/TiO2复合物前驱体；
[0012](2)采用水热处理法制备钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料：将步骤(1)得到的前驱体加入到氢氧化钠碱溶液中，之后在反应釜中水热处理，洗涤后干燥，得到钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料。
[0013]优选地，步骤(1)中，所述钛源为硫酸钛、叔丁醇钛、甲氧基钛、四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、钛酸四乙酯或乙酰丙酮钛中的一种或几种。
[0014]优选地，步骤(1)中，所述强碱为氨水、季铵碱、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的一种或几种。
[0015]优选地，步骤(1)中，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、苯、甲苯、乙醚、四氢呋喃、氯仿或二氯甲烷中的一种或几种。
[0016]优选地，步骤(2)中，所述氢氧化钠碱溶液浓度为1
‑
20M。
[0017]一种上述钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料的应用，将所述的复合电极材料用于制备钠离子电池或钠电池。
[0018]优选地，所述的钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合材料作为钠离子电池负极或钠电池正极。
[0019]优选地，所述的钠离子电池中，钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料为负极，可嵌/脱钠离子活性材料为正极。
[0020]优选地，所述的钠电池中，钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料为正极，金属钠为负极。
[0021]优选地，所述的钠离子电池和钠电池为可充放室温钠/钠离子电池，包括正极片、负极片、电解液、隔膜以及外壳；钠离子电池中，所述的钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料为负极，可嵌/脱钠离子活性材料作为钠离子电池正极；钠电池中，所述的钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料为正极，金属钠作为钠电池负极。
[0022]进一步优选地，所述的隔膜为玻璃纤维隔膜、聚乙烯、聚丙烯微孔膜或它们的复合隔膜，电解液为可溶性钠盐有机溶液。
[0023]更进一步优选地，所述的钠离子电池或钠电池电解液
‑‑
可溶性钠盐有机溶液为钠盐溶于有机溶剂中得到，钠盐为六氟磷酸钠、高氯酸钠、三氟甲基磺酸钠和硝酸钠的一种或几种，有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、二甘醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,3
‑
环戊二醇、乙二醇二甲醚和三甘醇二甲醚中的一种或几种。
[0024]进一步优选地，所述的可嵌/脱钠离子活性材料包括过渡金属氧化物、磷酸盐、焦磷酸盐、硫酸盐、氟磷酸盐。
[0025]优选地，所述的钠电池正极片是通过正极材料与导电剂、粘结剂和分散剂均匀混合后所得到的浆料填涂到集流体而得到，集流体为铜箔；钠离子电池负极片通过负极材料与导电剂、粘结剂和分散剂均匀混合后所得到的浆料填涂到集流体而得到，正极片通过正极材料与导电剂、粘结剂和分散剂均匀混合后所得到的浆料填涂到集流体而得到，集流体
为铝箔。
[0026]进一步优选地，所述的钠离子电池或钠电池导电剂是乙炔黑、Super P或石墨中的一种或几种；粘结剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或丁苯橡胶的一种或几种；分散剂为无水乙醇、异丙醇或1
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮的一种或几种。
[0027]优选地，所述电池的外壳均采用铝壳、铝塑膜(软包电池)、不锈钢及其复合材料，形状是扣式、柱形或方形。
[0028]本专利技术钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料具有一维的超细钛酸钠纳米纤维结构，合成方法工艺简单、易于放大生产，可控性强，作为钠离子电池负极或钠电池正极，同时具有高首周库伦效率、工作电压低、高容量、优异倍率特性和循环稳定性等优点，展现出广阔的市场应用前景本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料，其特征在于，具有二维片层结构，颗粒粒径为1
‑
6μm，厚度为10
‑
20nm，由少层还原氧化石墨烯，以及其负载的直径为5
‑
10nm的钛酸钠纳米纤维组成。2.根据权利要求1所述的钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料，其特征在于，所述的少层还原氧化石墨烯的质量为钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料质量的10％
‑
20％。3.一种如权利要求1或2所述的钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用溶剂法合成前驱体：将少层还原氧化石墨烯加入到添加有强碱的有机溶剂中，搅拌后加入钛源，干燥溶剂得到石墨烯负载二氧化钛的混合物，收集沉淀物并干燥，煅烧后获得rGO/TiO2复合物前驱体；(2)采用水热处理法制备钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料：将步骤(1)得到的前驱体加入到氢氧化钠碱溶液中，之后水热处理，洗涤后干燥，得到钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料。4.根据权利要求3所述的钛酸钠纳米纤维/还原氧化石墨烯复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钛源为硫酸钛、叔丁醇钛、甲氧基钛、四氯化钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、钛酸四乙酯或乙酰丙酮钛中的一种或几种。5.根据权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，万延华，刘玉普，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：