一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极及其制备方法和应用与流程

本发明属于钠离子电池领域，具体涉及一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极以及制备方法和应用。

背景技术：

锂离子电池作为当前发展最为成熟的电化学储能系统，在各种便携式电子设备、电动汽车、大型智能电网等储能设备中应用广泛。然而，由于锂资源不足、分布不均匀以及价格昂贵等因素限制了其在大规模储能中的进一步应用。钠和锂属同一主族元素，与锂具有相似的物化性质和电化学储能机理，并且钠在地球上储量丰富、分布均匀、原料成本低，这些优势促使钠离子电池有望替代锂离子电池应用于大规模的储能设备中。由于钠离子半径大于锂离子半径钠离子在反复脱嵌的过程中电极材料极易发生体积膨胀，造成材料结构的塌陷，导致容量的不可逆损失以及倍率性能差等问题。因此，开发高性能、结构稳定的电极材料成为当前钠离子电池研究工作的重点。

负极材料一直是钠离子电池研究的重要内容，铌基材料作为其中之一，具有体积膨胀小、充放电速度快、容量高等优点被广泛研究。正交相的铌酸铁材料作为铌基材料的代表，具有便于离子的嵌入和脱出的开放、稳定的八面体结构以及丰富的氧化还原反应对，是一种极具应用前景的钠离子电池负极材料。

当前制备铌酸铁的方法主要为固相法、共沉淀法、水热法等。然而采用上述方法制备出的材料多为大尺寸的块体材料(微米级)，不利于离子的扩散，会对电池的容量以及倍率性能产生不利影响。将材料纳米化可以缩短离子扩散路径从而提高材料的倍率性能，被认为是解决这类问题的有效措施之一。遗憾的是，纳米粉末在高温煅烧处理后容易发生团聚，并且传统电极的制备方法是将活性材料与导电剂、粘结剂等非活性物质混合后涂覆在金属集流体上，该方法不仅会降低电池的能量密度，而且在充放电过程中材料容易脱落从而导致容量衰减、倍率和循环性能差等问题。阵列电极无需额外的添加剂，可以有效解决以上问题。然而，到目前为止还未成功制备出阵列结构的铌酸铁材料。

技术实现要素：

本发明主要是针对现有技术的不足，提供一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极及其制备方法。该制备方法操作简便，重现性好，所制备的铌酸铁纳米线阵列与不锈钢网结合力强，无需使用粘结剂，具有良好的柔韧性，同时利用纳米线结构上的优势，大大提高了电子/离子的传输能力，将其应用于钠离子电池表现出优异的储钠特性。

为实现上述目的，本发明提供铌酸铁纳米线阵列电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将不锈钢网置于无水乙醇中超声去除表面杂质后烘干待用；

(2)将铌盐、氢氟酸、去离子水、无水乙醇按照设定比例混合均匀后移至反应容器中，再放置步骤(1)中的不锈钢网，在一定温度下反应一段时间；

(3)将步骤(2)中的得到的材料在惰性气体中退火后即得到电极材料。

按上述方案，所述的铌盐为五氯化铌、草酸铌或乙醇铌中的任意一种或多种的混合。

按上述方案，步骤(2)混合溶液的预设比例为：铌盐0.6-0.8g、氢氟酸0.9-1.1g、去离子水3.0-4.0ml、无水乙醇60-80ml，所述的氢氟酸质量百分比浓度为40％。

按上述方案，步骤(2)反应温度为180-210℃，反应时间为15-18h。

按上述方案，退火过程是以1-10℃/min的升温速率升温至700-750℃后保温1-5h。

一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极，其为上述任意制备方法获得，所述电极由不锈钢网基底和不锈钢网上生长的铌酸铁纳米线构成，其中单根纳米线长度为0.8-1μm，直径为30-35nm，以阵列形式垂直、有序、密集地分布在基底表面。

所述的柔性铌酸铁纳米线阵列电极作为钠离子电池的负极材料的应用。

将上述制备方法得到的铌酸铁纳米线作为工作电极，金属钠为对电极，1mol/lnaclo4/ec(碳酸乙烯酯)/pc(碳酸丙烯酯)/fec(氟代碳酸乙烯酯)(体积比为1:1:0.05)为电解液组装成2032型纽扣电池；所有组装均在氩气氛围手套箱内进行。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

(1)本发明提供了一种铌酸铁纳米线阵列的制备方法，以不锈钢网作为铁源和基底，通过溶剂热反应合成出铌酸铁纳米线；纳米线直接生长在不锈钢网上，缩短了离子的扩散路径，并有利于电子的传导；彼此独立的纳米线能与电解液充分接触，便于钠离子的嵌入和脱出，同时可以有效缓冲材料的体积变化，因而将其用于钠离子电池负极时展现出良好的倍率性能和循环性能；

(2)本发明中铌酸铁纳米线阵列电极与传统粉末电极在制备方法上的区别在于：无需添加导电剂和粘结剂等非活性物质，减少了离子扩散的阻碍。材料与基底结合力强且结构稳定，因此具有优异的机械柔性和良好的倍率性能及循环性能；

(3)本发明制备工艺简单，重现性好，能耗低，可适用于工业化生产，对柔性钠离子电池负极材料的研究具有重要意义。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是本发明实施例1所得的铌酸铁的x射线衍射图谱；

图2是本发明实施例1所得的铌酸铁的光学照片和扫描电子显微镜图；

图3是本发明实施例1所得到的钠离子电池在50ma/g电流密度下的充放电曲线图；

图4是本发明实施例1所得到的钠离子电池的倍率性能图；

图5是本发明实施例1所得到的钠离子电池在1000ma/g电流密度下的循环性能图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实例所采用的试剂和原料均为市售产品，去离子水为实验室自制。

实施例1

本实施例展示一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极的制备方法及其在钠离子电池中的应用。

步骤如下：

(1)将不锈钢网置于无水乙醇中超声去除表面杂质后烘干待用；(2)将0.6g五氯化铌、0.9g氢氟酸(质量百分比浓度40％)、3ml去离子水、60ml无水乙醇混合均匀后移至以聚四氟乙烯衬底的高压釜中，再放置步骤(1)中的不锈钢网，在200℃下反应16h后冷却至室温；(3)将步骤(2)中得到的材料在高纯氩气氛中以5℃/min升温至700℃保温3h后即得到铌酸铁纳米线阵列电极。图1显示了产物的x射线衍射(xrd)物相谱图，由图可知，按照上述合成方法制备出的材料的衍射峰位置与铌酸铁的标准卡片(pdf#72-483)吻合较好，证明按照上述步骤合成出的材料是铌酸铁。图2是材料的光学照片和扫描电镜图，由图2a可知，铌酸铁纳米线与不锈钢网基底结合力强，具有优异的机械柔性；由图2b、2c可知，纳米线生长均匀、密集，单根纳米线长度为0.8-1μm，直径为30-35nm。

将上述所得铌酸铁纳米线阵列裁成1×1cm²的电极片作为钠离子电池负极材料，以1mol/lnaclo4/ec(碳酸乙烯酯)/pc(碳酸丙烯酯)/fec(氟代碳酸乙烯酯)(体积比为1:1:0.05)为电解液，以金属钠为对电极，附以垫片和弹片组装2032型纽扣电池。将组装好的纽扣电池进行电化学性能测试，电压区间为0.01-3v。

图3是在50ma/g电流密度下的前三圈充放电曲线。由图可以看出铌酸铁纳米线负极可实现高达250mah/g的嵌钠容量，并且可计算出电池的首圈充电库伦效率为72.8％。

图4是不同电流密度下的倍率性能图。如图所示，在不同的电流密度下电池能保持稳定且较高的比容量，当电流回到最小值时，比容量又基本回到初始值，这表明铌酸铁纳米线阵列负极有良好的倍率性能。

图5是在电流密度为1000ma/g下的循环性能图。由图可知，电池在较大电流密度下循环次数高达2000次，容量保持率在87％以上，这表明该负极在钠离子电池中具有良好的循环性能。

实施例2

本实施例展示一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极的制备方法及其在钠离子电池中的应用。

(1)将不锈钢网置于无水乙醇中超声去除表面杂质后烘干待用；(2)将0.8g五氯化铌、1.1g氢氟酸(质量百分比浓度40％)、4.0ml去离子水、80ml无水乙醇混合均匀后移至以聚四氟乙烯衬底的高压釜中，再放置步骤(1)中的不锈钢网，在200℃下反应16h后冷却至室温；(3)将(2)中得到的材料在高纯氩气氛中以5℃/min升温至700℃保温3h后即得到铌酸铁纳米线阵列电极。将所得铌酸铁材料裁成1×1cm²的电极片作为钠离子电池负极材料，以1mol/lnaclo4/ec(碳酸乙烯酯)/pc(碳酸丙烯酯)/fec(氟代碳酸乙烯酯)(体积比为1:1:0.05)为电解液，以金属钠为对电极，附以垫片和弹片组装2032型纽扣电池。将组装好的纽扣电池进行电化学性能测试，电压区间为0.01-3v。

经xrd分析可知，制备出的材料与标准卡片(pdf#72-483)对比基本吻合。由sem表征可知，纳米线生长均匀，单根纳米线长度为0.9-1μm，直径为30-35nm。电极在不同电流密度下具有较好的倍率性能：在500、1000、2000和4000ma/g的电流密度下分别具有200、165、125、70mah/g的可逆比容量。同时，电极在1000ma/g的电流密度下循环2000圈后容量保持率在80％以上。

实施例3

本实施例展示一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极的制备方法及其在钠离子电池中的应用。

(1)将不锈钢网置于无水乙醇中超声去除表面杂质后烘干待用；(2)将0.6g五氯化铌、0.9g氢氟酸(质量百分比浓度40％)、3ml去离子水、60ml无水乙醇混合均匀后移至以聚四氟乙烯衬底的高压釜中，再放置步骤(1)中的不锈钢网，在210℃下反应18h后冷却至室温；(3)将步骤(2)中得到的材料在高纯氩气氛中以5℃/min升温至700℃保温3h后即得到铌酸铁纳米线阵列材料。

经xrd分析可知，制备出的材料与标准卡片(pdf#72-483)对比基本吻合。由sem表征可知，纳米线生长均匀，单根纳米线长度为0.9-1μm，直径为31-35nm。电极在不同电流密度下具有较好的倍率性能：在500、1000、2000和4000ma/g的电流密度下分别具有202、170、125、75mah/g的可逆比容量。同时，电极在1000ma/g的电流密度下循环2000圈后容量保持率在82％以上。

实施例4

本实施例展示一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极的制备方法，步骤如下：

(1)将不锈钢网置于无水乙醇中超声去除表面杂质后烘干待用；(2)将0.6g五氯化铌、0.9g氢氟酸(质量百分比浓度40％)、3ml去离子水、60ml无水乙醇混合均匀后移至以聚四氟乙烯衬底的高压釜中，再放置步骤(1)中的不锈钢网，在200℃下反应16h后冷却至室温；(3)将步骤(2)中得到的材料在高纯氩气氛中以5℃/min升温至750℃保温5h后即得到铌酸铁纳米线阵列材料。

经xrd分析可知，制备出的材料与标准卡片(pdf#72-483)对比基本吻合。由sem表征可知，纳米线生长均匀，单根纳米线长度为0.9-1μm，直径为32-35nm。电极在不同电流密度下具有较好的倍率性能：在500、1000、2000和4000ma/g的电流密度下分别具有205、169、127、72mah/g的可逆比容量。同时，电极在1000ma/g的电流密度下循环2000圈后容量保持率在80％以上。

对比实施例5

本实施例展示一种铌酸铁材料的制备方法，步骤如下：

(1)将不锈钢网置于无水乙醇中超声去除表面杂质后烘干待用；(2)将0.6g五氯化铌、0.9g氢氟酸(质量百分比浓度40％)、60ml去离子水混合均匀后移至以聚四氟乙烯衬底的高压釜中，再放置步骤(1)中的不锈钢网，在200℃下反应16h后冷却至室温；(3)将步骤(2)中得到的材料在高纯氩气氛中以5℃/min升温至700℃保温3h。

采用上述制备方法合成出的材料出现严重的破损，并且不锈钢网表面样品脱落严重，表明在该制备方法中无水乙醇作为有机溶剂对阵列的形成至关重要，不添加无水乙醇无法得到所需要的铌酸铁纳米线阵列电极。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。