[发明专利]一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用

说明书

本发明公开一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用，是所述超薄钒酸铁纳米片作为负极活性材料应用于钠离子电池及钠离子电容器中，并通过简单经济的工艺快速地合成了超薄钒酸铁纳米片。基于超薄钒酸铁纳米片独特的赝电容储钠行为，采用该超薄钒酸铁纳米片作为储钠负极活性材料时，其表现出优异的高比容量、高倍率性能和长循环寿命。

技术领域

本发明涉及电化学材料技术领域，具体涉及的是一种超薄钒酸铁纳米片作为负极活性材料在钠离子电池及钠离子电容器中的应用。

背景技术

随着全球经济和人口持续增长、能源需求与日俱增，节能减排和新型绿色能源的高效利用变得尤为重要。高性能电化学储能器件的开发与应用是节能减排与大规模绿色能源技术发展的关键环节，受到国家各部司的重视与大力推广。锂离子电池因其比能量高的优点，已广泛应用于电子产品、电动汽车、部分侧网储能等领域。离子电容器作为一种新型的储能器件，较双电层电容器的能量密度更高，并且兼顾高功率密度的优点，应用在公共巴士、能源回收等领域。然而，地壳中有限的锂资源限制了锂离子电池的可持续、规模化应用，因此寻找可替代锂资源来发展下一代新型高性能储能器件成为迫在眉睫的问题。由于钠具有与锂相似的物理和化学性质，同时钠储量丰富(约占地壳中的2.64wt.％)、分布广泛，发展基于钠离子的电化学储能器件(包括钠离子电池和钠离子电容器)，有望实现在可持续、低成本、大规模的绿色储能和城市公共交通上的广泛运用，是国家的可持续发展需求，具有显著的经济效益。

相比于锂离子半径为钠离子具有更大的离子半径为一般情况下，钠离子在电极活性材料中具有较为缓慢的扩散动力学特性，且在嵌入脱出过程中对电极材料造成严重的结构劣化，进而导致差的倍率性能和循环使用寿命，这使得寻找合适的储钠电极材料比储锂电极材料更为困难。开发兼顾高能量密度、高功率密度、长循环寿命及低成本的高性能钠离子电池或钠离子电容器的核心问题在于开发具有高比容量和高倍率储钠性能的负极材料。

商业化的石墨负极材料无法满足钠离子的有效嵌入与脱出。近几年报道的嵌入型负极材料，诸如硬碳、Na₄Ti₅O₁₂、TiO₂、Nb₂O₅、MoS₂等，但是它们的首圈库仑效率低；工作电位很低，基本接近于钠离子的还原电位，存在钠枝晶的生长等安全隐患；其倍率性能和循环稳定差。

为了有效地解决上述问题，利用赝电容反应机制在高倍率、高功率储能器件方面的巨大潜力，研究具有赝电容储钠特性的钒酸铁负极纳米材料，将解决目前钠离子储能倍率性能差的关键科学问题，从而制备获得高比容量、高倍率性能、长循环的储钠电极活性材料。基于赝电容钠离子储存钒酸铁负极纳米材料目前仍鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用，作为钠离子电池或钠离子电容器中的负极活性材料时，该超薄钒酸铁纳米片表现出优异的高比容量、高倍率性能和长循环寿命。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种超薄钒酸铁纳米片在钠离子电池及钠离子电容器中的应用，是所述超薄钒酸铁纳米片作为负极活性材料应用于钠离子电池或钠离子电容器中，所述超薄钒酸铁纳米片的制备方法包括以下步骤：

步骤1、先将钒酸盐溶解于70～85℃的去离子水中，得到浓度为0.03～0.2mol/L的钒酸盐溶液；

步骤2、在室温下，然后将铁盐溶解于去离子水中，得到浓度为0.05～0.5mol/L的铁盐溶液；

步骤3、按所述钒酸盐中钒：所述铁盐中铁的摩尔比＝3:1，在搅拌下将步骤2中得到的铁盐溶液加入到步骤1中得到的钒酸盐溶液中，均匀混合，得到混合液；

步骤4、然后将步骤3中得到的混合液转入反应釜中，加热至80～180℃进行水热反应1～12h，取出反应釜，自然冷却至室温；