[发明专利]一种超小的二氧化钛颗粒和碳的复合材料及其应用

说明书

本发明涉及一种超小氧化钛颗粒与碳的复合电极材料及其应用，属于能源存储领域。此复合材料CNT@TiO₂@C中：超小的二氧化钛颗粒提供较短的扩散路径，提高了钠离子的嵌入/脱出速率，从而提高了反应动力学；碳纳米管提供超高的导电性，加快了电子的传输；多孔碳不仅可以减缓二氧化钛的体积膨胀，而且增大了与电解液接触面积，从而提高了循环稳定性和钠离子扩散速率。因此所制备复合材料作为负极用于钠离子混合电容器时表现出高能量密度、高功率密度以及长循环稳定性的性能，同时表现出很好的实际应用前景。

技术领域

本发明涉及一种超小氧化钛颗粒与碳的复合电极材料的制备方法及其在钠离子混合电容器中的应用，属于能源存储领域。

背景技术

作为一种商业化的储能装置，锂离子电池在过去几十年中一直是研究的热点。随着社会的发展，锂资源变得越来越稀缺，价格昂贵。元素钠具有与锂相似的化学性质使得钠基储能器件成为最有希望替代锂锂离子电池成为下一代的储能设备。然而，由于钠离子的半径相比于锂离子大以及更高的电势电位，使得钠基储能装置遭受迟滞的反应动力学以及电极材料不稳定的问题，致使难以同时实现高能量密度和高功率密度，阻碍了其实际应用。在众多钠基能量存储装置中，钠离子混合电容器由具有高理论容量的电池型阳极材料、具有高比表面的电容型阴极材料和含有钠盐的电解质所构成。对于负极材料而言，一般选用层状或插层的材料来构建钠离子混合电容器，但是大多数的负极材料导电性差，体积膨胀严重，不能满足高能量密度和高功率密度的要求。基于此，本发明设计了一种超小插层型二氧化钛和碳的复合材料(CNT@TiO₂@C)：碳纳米管提供超高的导电性；超小的二氧化钛颗粒缩短了电子和离子的传输路径，从而加快了电化学反应动力学；碳骨架不仅能提供导电性，而且能减缓二氧化钛在钠离子嵌入/脱出过程中的体积膨胀。不仅如此，构建高性能钠离子混合电容器的的关键要求是匹配缓慢的法拉第型阳极材料和非法拉第型电容阴极材料的反应动力学，因此，我们探究了正负极活性物质的三种比例(1：1，1：2，1：3)。

据申请人了解，基于钠离子的存储机理来构造高性能的电极材料是目前急需研究的课题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种制备具有高能量密度、高功率密度和长循环稳定性的钠离子混合电容器的负极材料，并且验证了其实际应用价值。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：通过碳化前驱体(CNT@MIL-125)，通过MOF骨架的限域作用，制备一种具有超小二氧化钛颗粒的复合材料CNT@TiO₂@C，其包括具有快速嵌入脱出功能的超小二氧化钛颗粒，具有超高导电性的碳纳米管，具有提高与电解液接触面积从而提高快速充放电能力的多孔碳。由此制备的复合材料作为负极，匹配不同质量比的活性炭正极材料，在用于钠离子混合电容器中时，表现出高的能量密度，高的功率密度和长的循环稳定性。

优选的。所述的二氧化钛的颗粒在3-4nm左右。

优选的。前驱体碳化的温度为600℃。

优选的。正负极的质量比为1:1-1:3.

优选的。正负极的质量比分别为1:1，1:2，1:3。

优选的。正负极质量比为1:2时表现出最高的钠离子存储容量。

优选的。此复合材料作为负极，活性炭作为正极，含有5％FEC添加剂的NaCLO₄的EC和DMC(1:1VOL％)溶液为电解液的钠离子混合电容器的充放电电压窗口为1-4V。

优选的。验证此钠离子混合电容器的实际应用价值用的是由LED灯组成的IAM字样。

一种优质复合材料作为负极用于高性能钠离子混合电容器的方法。其制备过程如下：将前驱体碳化，烘干，制备浆料，分别涂覆到铜箔(负极)和铝箔(正极)上，挑选活性物质质量比分别为1:1，1:2，1:3的电极片，组装钠离子混合电容器。