[發明專利]鈦酸鈉納米纖維材料的制備方法及以該材料為負極的鈉離子混合電容器

在審

• 申請號: 201810558370.5
• 申請日: 2018-06-01
• 公開（公告）號: CN108878154A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 張校剛;董升陽;吳朗源;竇輝
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01G11/04
• 分類號: H01G11/04;H01G11/30;H01G11/86
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹翠珍

本發明提供了一種鈦酸鈉納米纖維材料的制備方法及以該材料為負極的鈉離子電容器，該復合材料通過加入鈉源、鈦源和電紡液進行混合，進行靜電紡絲處鋰、干燥處理和兩步烘焙處理后得到，生產工藝簡單，容易擴大規模生產。通過調節煅燒氣氛可以得到多孔的鈦酸鈉納米纖維以及鈦酸鈉?碳納米纖維復合物。得到的鈦酸鈉納米纖維材料增大了產物比表面積的同時又縮短了材料的離子/電子擴散路徑。利用該納米纖維材料為負極制成的鈉離子混合電容器，工作電壓高、循環壽命長，而比能量遠高于一般的電化學電容器，可達55 Wh kg^?1以上，具有很高的實用價值。

技術領域

本發明涉及納米材料和能源領域，具體是一種鈦酸鈉納米纖維材料、其制備方法及以該材料為負極的鈉離子混合電容器。

背景技術

在現有的儲能技術中，鋰離子電池以高能量密度、長循環壽命、高工作電壓等諸多優點主導了便攜式電子產品的電源。但鋰資源的稀缺和全球的不均勻分布，很大程度上會限制其在大規模儲能中的應用。相比之下，與鋰同一主族的鈉，資源豐富，價格低廉，且具有相似的物理化學性質，鈉離子儲能是非常具有發展潛力的儲能體系，逐漸成為電化學儲能領域的研究熱點。

隨著包括混合電動汽車在內的大規模儲能的發展及其對高功率密度、高能量密度儲能器件的需求，結合了雙電層電容器以及二次電池二者優點的離子混合電容器備受人們關注。與鋰離子混合電容器類似，鈉離子混合電容器通常采用電池型負極材料以及雙電層型正極材料，使得鈉離子混合電容器擁有鈉離子電池和雙電層電容器的雙重屬性，具有比鈉離子電池更高的功率密度，同時又有比雙電層電容器更高的能量密度。因此鈉離子混合電容器有望用在新能源汽車、電氣設備和航空航天設施等高能量大功率型的大規模儲能領域。

總的來說，設計制備性能優異的電池型負極材料是獲得鈉離子混合電容器高性能的關鍵。通常，由于電池型電極材料較差的倍率性能和循環穩定性，導致了混合電容器循環壽命的顯著衰減。因此，具有結構穩定，高能量密度和快速充放電能力的負極材料亟需得到研發。目前常用的儲鈉負極材料按其反應機理可分為嵌入型(如硬碳、鈦基氧化物等)、合金類(如錫、銻等)以及轉化類材料(如部分氧化物、硫化物等)。其中，合金類以及轉化類材料雖具有較高的比容量，但是反應過程中伴隨著較大的體積膨脹，循環穩定性差。硬碳具有較高的比容量，但是倍率性能差。此外，硬碳嵌鈉電位接近0V(vs.Na⁺/Na)，在快速充電過程可能會形成鈉枝晶，從而帶來安全隱患。相對于其它材料而言，層狀嵌鈉材料具有獨特的優勢。V₂O₅以及Na₂Ti₃O₇等層狀材料已經應用于鈉離子混合電容器負極材料。中國科學院長春應用化學研究所王宏宇等報道的Na₂Ti₃O₇//AC鈉離子電容器，能量密度可達34Wh kg^-1。雖然Na₂Ti₃O₇較低的嵌鈉電位可保證其具有很高的能量密度，但是低的電子導電率，導致大電流條件下容量迅速衰減，嚴重影響了鈉離子混合電容器的電化學性能。針對這一問題，常用的解決方案是將材料納米化以及與高導電的材料復合。水熱法、溶劑熱法等是制備鈦酸鈉納米復合材料最常用的方法，但上述方法制備工藝較復雜、成本高、不利于大規模生產。靜電紡絲技術是一種設備簡單、制備過程簡單可控、產率高、易大規模生產，是一種制備納米材料最行之有效的方法之一。

發明內容

本發明為了解決現有技術的問題，提供了一種鈦酸鈉納米纖維材料的制備方法及以該材料為負極的鈉離子電容器，生產工藝簡單，易于實現工業化，具有很高的實用價值。

鈦酸鈉納米纖維材料，直徑均勻，直徑為100～250nm；鈦酸鈉-碳納米纖維復合材料，結構均一，納米纖維的直徑為150～250nm，粒徑為50～100nm的鈦酸鈉顆粒均勻的鑲嵌在碳纖維的表面和內部。

鈦酸鈉納米纖維材料的制備方法，步驟如下：