Na0.86Cu0.43Ti3.57O8纳米线及其制备方法和在钠离子电池中的应用

本发明涉及钠离子电池，具体涉及na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线及其制备方法和在钠离子电池中的应用。

背景技术：

1、相比于目前已商业化的锂离子电池，钠离子电池拥有与锂离子电池相似的反应工作原理。由于钠资源在地壳中的丰度远高于锂元素，且以更低成本的铝箔作为正负极的集流体，因而具有显著的成本优势，是锂离子电池强劲的后备力量，具有无限的可持续发展潜质，未来有望在大规模储能系统中发挥重要作用。

2、2001年avdeev,m.等人在国际衍射数据中心(international centre fordiffraction data,icdd)上传了新晶体na0.86cu0.43ti3.57o8的结构参数，其晶格常数为：α＝90°、β＝107.245°、γ＝90°、v＝289.1，空间群为c2/m(12)。该物质在nathaniel coleman jr在其金属掺杂tio2的工作中以杂相的形式出现。

3、目前对于na0.86cu0.43ti3.57o8材料的合成方法来说，采用的原料中含有na2o2，na2o2属于危化品，其在空气中能够迅速吸收水分和二氧化碳，在与有机物接触后也会导致燃烧或爆炸，实验条件较为苛刻，不易制备；另外，na0.86cu0.43ti3.57o8材料的合成目前采用固态复分解法，制备温度高达1000℃；这些原因均对na0.86cu0.43ti3.57o8材料的规模化制备和应用产生限制；且采用传统高温合成的na0.86cu0.43ti3.57o8材料微观尺寸较大，材料比表面积小，因此目前将其作为na离子电池负极材料的探究较为匮乏。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线及其制备方法和在钠离子电池中的应用，旨在解决现有技术公开的na0.86cu0.43ti3.57o8材料制备方法中存在的制备温度高且安全性差的技术缺陷，提供一种采用静电纺丝法制备na0.86cu0.43ti3.57o8的新方法，并将制得的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线作为na离子电池负极材料进行应用。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)纳米纤维膜的制备：将钠源、铜源、钛源、聚乙烯吡咯烷酮、促溶剂、乙酸、乙醇混合均匀，并配置成混合液，将混合液进行静电纺丝，获得纳米纤维膜，聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂，促溶剂、乙酸、乙醇三者共同为溶剂，以充分溶解原料；

5、(2)na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的制备：将步骤(1)的纳米纤维膜于600-700℃下热处理2-6h后，洗去产物中残余的杂质及有机物，得到na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线。

6、优选的，所述步骤(1)中钠源选自三水合乙酸钠、碳酸钠或硫酸钠，铜源选自三水合硝酸铜、氧化铜或硫酸铜，钛源选自钛酸四丁酯、二氧化钛或硫酸钛。

7、优选的，所述步骤(1)的钠源、铜源、钛源中，钠元素、铜元素、钛元素的摩尔比为(2.5-4.5)：(1-2)：(6-9)；聚乙烯吡咯烷酮与钛源的质量之比为(1-2)：(0.5-1)；

8、所述促溶剂选自n,n'-二甲基甲酰胺或n,n'-二乙基甲酰胺，促溶剂、乙酸、乙醇的体积比为(1-3)：(1-2)：(6-8)。

9、优选的，所述步骤(1)的钠源、铜源、钛源中，钠元素、铜元素、钛元素的摩尔比为4.5：1：6.8。

10、优选的，所述步骤(1)中静电纺丝条件为：于纺丝电压为负压-1kv、正压27kv，纺丝温度为40-60℃，推进速率为1.5-2ml/h条件下制备纳米纤维膜。

11、优选的，所述步骤(2)中，将步骤(1)的纳米纤维膜于600-700℃下热处理2-4h。

12、优选的，所述步骤(2)的产物中残余杂质及有机物清洗方法为：先采用体积分数为5％的硝酸溶液清洗，再采用去离子水洗至中性。

13、本发明还保护了利用所述制备方法制得的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线。

14、本发明还保护了利用na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线制备的钠离子电池负极极片，所述钠离子电池负极极片按照如下步骤制备：

15、将na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线、导电剂和粘结剂混合，然后溶解于溶剂中得到浆料，以铝箔为集流体，在集流体表面均匀涂覆浆料，烘干后得到钠离子电池负极极片；

16、其中，粘结剂选自聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、明胶中的一种或多种，导电剂选自乙炔黑、碳黑、super-p或科琴黑，溶剂为n-甲基吡咯烷酮；所述na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线与导电剂、粘结剂的质量比为8：1：1。

17、本发明还保护了钠离子电池负极极片在制备钠离子电池中的应用，所述钠离子电池按照如下步骤制备：

18、正极极片制备：将金属钠进行压片和裁剪；

19、电解液的制备：将高氯酸钠溶解在有机溶剂中，配成浓度为1mol/l的高氯酸钠电解液；

20、钠离子电池的制备：将正极极片、玻璃纤维隔膜、电解液和负极极片依次进行组装，经过化成、静置工艺制得钠离子电池。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

22、本发明公开了一种半导体na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的新型制备方法，本发明的制备方法简单、反应时间短、反应条件温和、采用原料安全、能够得到纯度更高的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线，且克服了现有技术采用固态复分解法存在的反应温度高、安全性差的技术缺陷，制备的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线为直接带隙半导体，带隙能eg在2.3-2.6ev之间，纳米线尺寸均匀，纯度高，结晶性好，na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线微观尺寸小，导电性良好，可被用于作为na离子电池负极材料，具有较高na离子电池比容量。

技术特征：

1.一种na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中钠源选自三水合乙酸钠、碳酸钠或硫酸钠，铜源选自三水合硝酸铜、氧化铜或硫酸铜，钛源选自钛酸四丁酯、二氧化钛或硫酸钛。

3.根据权利要求1所述的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的钠源、铜源、钛源中，钠元素、铜元素、钛元素的摩尔比为(2.5-4.5)：(1-2)：(6-9)；聚乙烯吡咯烷酮与钛源的质量之比为(1-2)：(0.5-1)；

4.根据权利要求3所述的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的钠源、铜源、钛源中，钠元素、铜元素、钛元素的摩尔比为4.5：1：6.8。

5.根据权利要求1所述的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中静电纺丝条件为：于纺丝电压为负压-1kv、正压27kv，纺丝温度为40-60℃，推进速率为1.5-2ml/h条件下制备纳米纤维膜。

6.根据权利要求1所述的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将步骤(1)的纳米纤维膜于600-700℃下热处理2-4h。

7.根据权利要求1所述的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的产物中残余杂质及有机物清洗方法为：先采用体积分数为5％的硝酸溶液清洗，再采用去离子水洗至中性。

8.一种权利要求1-7任一项所述制备方法制得的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线。

9.一种利用权利要求8所述的na0.86cu0.43ti3.57o8纳米线制备的钠离子电池负极极片，其特征在于，所述钠离子电池负极极片按照如下步骤制备：

10.一种利用权利要求9所述的钠离子电池负极极片在制备钠离子电池中的应用，其特征在于，所述钠离子电池按照如下步骤制备：

技术总结
本发明涉及钠离子电池技术领域，具体涉及Na<subgt;0.86</subgt;Cu<subgt;0.43</subgt;Ti<subgt;3.57</subgt;O<subgt;8</subgt;纳米线及其制备方法和在钠离子电池中的应用。本发明旨在解决现有技术公开的Na<subgt;0.86</subgt;Cu<subgt;0.43</subgt;Ti<subgt;3.57</subgt;O<subgt;8</subgt;材料制备方法中存在的制备温度高且安全性差的技术缺陷，提供一种采用静电纺丝法制备Na<subgt;0.86</subgt;Cu<subgt;0.43</subgt;Ti<subgt;3.57</subgt;O<subgt;8</subgt;的新方法，并将制得的Na<subgt;0.86</subgt;Cu<subgt;0.43</subgt;Ti<subgt;3.57</subgt;O<subgt;8</subgt;纳米线作为Na离子电池负极材料进行应用。

技术研发人员：陈启文,周剑平,吕丽,谭卓芮,李冰玉
受保护的技术使用者：陕西师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15