[发明专利]多孔富氧氮化钒纳米片及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种多孔富氧氮化钒纳米片及其制备方法，该材料可作为高功率长寿命锂离子电池负极活性材料和钠离子电池负极活性材料。

背景技术

锂离子电池作为一种绿色化学存储器件，已广泛应用于人们的日常生活，如手机、相机、移动电脑等便携设备，并逐步成为动力汽车电源的最佳选择。值得注意的是，锂在地球上含量有限，大规模的需求使锂的价格呈不断上升趋势。相对于锂来言，钠的来源更为广泛与丰富，成本更低。同时，由于钠具有与锂相似的物理和化学性质，钠离子电池可以如同锂离子电池的一样工作且稳定安全。为此，开发基于钠离子电池的储能体系用来替代锂离子电池是一个非常理想的选择。众所周知，电池的性能很大部分取决于电极材料的性能。然而对于一般商业的石墨碳而言，其容量较低并且不可作为钠离子电池的负极材料，为此开发一种可同时作为高功率、长寿命的锂离子电池与钠离子电池的负极材料具有广阔的应用前景。

锂离子电池与钠离子电池的优势在于其高的能量密度，但是较低的离子与电子扩散速率导致其倍率特性较差、功率密度较低，限制了其在便携设备中的进一步发展以及在混合动力汽车及纯电动汽车中的应用。需要强调的是，钠离子的离子半径为锂离子半径的1.43倍，较锂离子而言具有更慢的离子扩散动力，为此要得到高功率的钠离子电池电极材料极具挑战。研究表明，纳米材料具有高的比表面积以及更好的活性，作为电池电极材料时与电解液接触面积大、离子脱嵌距离短，能有效提高材料的电活性，作为高功率电池电极材料时具有显著的优势。同时，纳米结构有利于缓解循环过程中的应力释放，稳定结构，获得更长的循环寿命。为此，研究基于新型纳米电极材料的大容量、高功率、长寿命、低成本二次电池是当前低碳经济时代研究的前沿和热点之一。

金属氮化物因为高的电子导电性与高的理论比容量，被认为是潜在的锂离子电池负极材料，但是其倍率性能和循环性能均不佳，这主要是由于它在充放电过程中体积膨胀很大，最终导致结构的坍塌和极化。同时本身稳定的氮化物结构使得其在电化学反应过程中，活性并不是很高，最终所报道的容量很低。近年来，氮化钒作为锂离子电池负极材料已被逐步研究，但是其作为钠离子电池负极材料鲜有报道。因此，设计合成合适纳米结构并改善氮化钒的电化学活性是获得高性能锂离子电池负极材料与钠离子电池负极材料的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种多孔富氧氮化钒纳米片及其制备方法，其工艺简单，资源丰富，所得的多孔富氧氮化钒纳米片负极材料具有优良电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：多孔富氧氮化钒纳米片，其尺寸为4-20微米，所述的纳米片是由相互连接的直径为10～20nm的氮化钒纳米颗粒搭接而成，其内部含有丰富的孔结构，其平均孔径为15～35nm，孔体积可达到0.2cm³/g以上，并且富含氧掺杂，其中V、N、O元素是均匀分布的。

所述的多孔富氧氮化钒纳米片的制备方法，包括有以下步骤：

1)量取五氧化二钒溶胶并稀释于去离子水中，充分搅拌均匀后静置陈化，得到稀释的五氧化二钒溶胶；

2)将步骤1)所得稀释的五氧化二钒溶胶通过冷冻，使得水分充分结冰；

3)将步骤2)所得结冰的五氧化二钒溶胶进行干燥，将水分除去；

4)将步骤3)所得冷冻干燥完全的海绵状五氧化二钒干凝胶在氨气气氛中加热烧结并保温，取出即可得到具有多孔富氧氮化钒纳米片。

按上述方案，步骤1)所述稀释的五氧化二钒溶胶溶度为0.03～0.1mol/L，陈化时间为12-48小时。

按上述方案，步骤2)所述的冷冻方法包括液氮急冷或一般低温冷冻。

按上述方案，步骤2)所述的一般低温冷冻是在零下4℃冷冻。

按上述方案，步骤3)所述的干燥方法为冷冻干燥法。

按上述方案，步骤4)所述的烧结温度为500～700℃，烧结时间为0.5～4小时。

所述的多孔富氧氮化钒纳米片作为锂离子电池负极活性材料或钠离子负极活性材料的应用。