[发明专利]钛酸钠纳米纤维材料的制备方法及以该材料为负极的钠离子混合电容器

说明书

本发明提供了一种钛酸钠纳米纤维材料的制备方法及以该材料为负极的钠离子电容器，该复合材料通过加入钠源、钛源和电纺液进行混合，进行静电纺丝处锂、干燥处理和两步烘焙处理后得到，生产工艺简单，容易扩大规模生产。通过调节煅烧气氛可以得到多孔的钛酸钠纳米纤维以及钛酸钠‑碳纳米纤维复合物。得到的钛酸钠纳米纤维材料增大了产物比表面积的同时又缩短了材料的离子/电子扩散路径。利用该纳米纤维材料为负极制成的钠离子混合电容器，工作电压高、循环寿命长，而比能量远高于一般的电化学电容器，可达55 Wh kg⁻¹以上，具有很高的实用价值。

技术领域

本发明涉及纳米材料和能源领域，具体是一种钛酸钠纳米纤维材料、其制备方法及以该材料为负极的钠离子混合电容器。

背景技术

在现有的储能技术中，锂离子电池以高能量密度、长循环寿命、高工作电压等诸多优点主导了便携式电子产品的电源。但锂资源的稀缺和全球的不均匀分布，很大程度上会限制其在大规模储能中的应用。相比之下，与锂同一主族的钠，资源丰富，价格低廉，且具有相似的物理化学性质，钠离子储能是非常具有发展潜力的储能体系，逐渐成为电化学储能领域的研究热点。

随着包括混合电动汽车在内的大规模储能的发展及其对高功率密度、高能量密度储能器件的需求，结合了双电层电容器以及二次电池二者优点的离子混合电容器备受人们关注。与锂离子混合电容器类似，钠离子混合电容器通常采用电池型负极材料以及双电层型正极材料，使得钠离子混合电容器拥有钠离子电池和双电层电容器的双重属性，具有比钠离子电池更高的功率密度，同时又有比双电层电容器更高的能量密度。因此钠离子混合电容器有望用在新能源汽车、电气设备和航空航天设施等高能量大功率型的大规模储能领域。

总的来说，设计制备性能优异的电池型负极材料是获得钠离子混合电容器高性能的关键。通常，由于电池型电极材料较差的倍率性能和循环稳定性，导致了混合电容器循环寿命的显著衰减。因此，具有结构稳定，高能量密度和快速充放电能力的负极材料亟需得到研发。目前常用的储钠负极材料按其反应机理可分为嵌入型(如硬碳、钛基氧化物等)、合金类(如锡、锑等)以及转化类材料(如部分氧化物、硫化物等)。其中，合金类以及转化类材料虽具有较高的比容量，但是反应过程中伴随着较大的体积膨胀，循环稳定性差。硬碳具有较高的比容量，但是倍率性能差。此外，硬碳嵌钠电位接近0V(vs.Na⁺/Na)，在快速充电过程可能会形成钠枝晶，从而带来安全隐患。相对于其它材料而言，层状嵌钠材料具有独特的优势。V₂O₅以及Na₂Ti₃O₇等层状材料已经应用于钠离子混合电容器负极材料。中国科学院长春应用化学研究所王宏宇等报道的Na₂Ti₃O₇//AC钠离子电容器，能量密度可达34Wh kg^-1。虽然Na₂Ti₃O₇较低的嵌钠电位可保证其具有很高的能量密度，但是低的电子导电率，导致大电流条件下容量迅速衰减，严重影响了钠离子混合电容器的电化学性能。针对这一问题，常用的解决方案是将材料纳米化以及与高导电的材料复合。水热法、溶剂热法等是制备钛酸钠纳米复合材料最常用的方法，但上述方法制备工艺较复杂、成本高、不利于大规模生产。静电纺丝技术是一种设备简单、制备过程简单可控、产率高、易大规模生产，是一种制备纳米材料最行之有效的方法之一。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种钛酸钠纳米纤维材料的制备方法及以该材料为负极的钠离子电容器，生产工艺简单，易于实现工业化，具有很高的实用价值。

钛酸钠纳米纤维材料，直径均匀，直径为100～250nm；钛酸钠-碳纳米纤维复合材料，结构均一，纳米纤维的直径为150～250nm，粒径为50～100nm的钛酸钠颗粒均匀的镶嵌在碳纤维的表面和内部。

钛酸钠纳米纤维材料的制备方法，步骤如下：