[发明专利]一种氮化钒纳米片柔性复合电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种氮化钒纳米片柔性复合电极材料及其制备方法与应用，属于超级电容器电极材料技术领域。为解决现有超级电容器电极材料电容性能和循环稳定性较差的问题，本发明提供了一种氮化钒纳米片柔性复合电极材料，以碳布为基底，通过水热合成法、高温氮化还原在碳布纤维表面生长氮化钒并形成具有三维结构的多孔纳米片层，该结构有利于电解液的扩散、电子传输和快速的电化学反应，使该材料具有良好的电容性能和循环稳定性。该电极材料无导电剂、粘结剂，集纳米化、平面化、一体化和柔性化为一体，极大改善了电极的导电性和离子的扩散动力学，将其应用于超级电容器可使超级电容器的负极具有极高的导电性、延展性以及良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料技术领域，尤其涉及一种氮化钒纳米片柔性复合电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着人口的急剧增长和社会的快速发展，人类对能源的需求与日俱增。众所周知，人类获得能源的主要方式是通过化石燃料的燃烧，然而大量化石燃料的燃烧会伴随着资源枯竭和环境污染等问题。因此，开发清洁高效的新能源和大力发展能量存储与转换技术被认为是缓解能源和生态危机的最有效的方式。目前，超级电容器、锂离子电池、燃料电池等储能器件由于其绿色环保和生态友好等优势引发了空前的研究热潮。其中，超级电容器以其具有高功率密度、长循环寿命、工作温度范围广和快速充放电能力，广泛的应用于智能电网、电子设备、混合动力汽车等诸多领域。尽管超级电容器具有诸多优势，但其依然存在许多问题亟待解决。目前，商业上使用的超级电容器电极材料是具有高比表面积的碳材料，但其低的比电容已经无法满足超级电容器对更高的容量和能量密度的需求。因此，国内外科研工作者将研究重心转移到具有高比电容的非碳基材料上，例如：过渡金属氧化物RuO₂、MnO₂和V₂O₅、导电聚合物等传统高性能电极材料。然而，过渡金属氧化物的成本较高，并且其低的电导率极大地影响了快速充放电性能，从而限制了其大规模的实际应用。导电聚合物虽然具有比金属氧化物更好的导电性，但是在电荷存储期间，聚合物的膨胀和收缩会导致其循环稳定性较差。

发明内容

为解决现有超级电容器电极材料电容性能和循环稳定性较差的问题，本发明提供了一种氮化钒纳米片柔性复合电极材料及其制备方法与应用。

本发明的技术方案：

一种氮化钒纳米片柔性复合电极材料，以碳布为基底，氮化钒均匀生长在碳布纤维上并在碳布纤维表面形成具有三维结构的多孔纳米片层，其中生长有氮化钒纳米片层的单根碳布纤维的直径为15～20μm，所述氮化钒纳米片柔性复合电极材料的厚度为0.35～0.5mm。

一种氮化钒纳米片柔性复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、制备硫化钒/碳布前驱体：

按一定摩尔体积比准备硫代乙酰胺、去离子水、氨水和偏钒酸铵，将硫代乙酰胺加入去离子水中，搅拌至硫代乙酰胺完全溶解，依次加入氨水和偏钒酸铵，在一定搅拌转速下持续搅拌一定时间得到混合溶液，将所述混合溶液倒入高压反应釜中备用；

将碳布固定在聚四氟乙烯片上放入高压反应釜中，密封反应釜并使其温度在一定时间内由室温升温至160℃，保温一定时间后自然降温冷却，收集样品并依次用去离子水、乙醇漂洗，将清洗后的样品烘干即得硫化钒/碳布前驱体；

步骤二、制备氮化钒纳米片柔性复合电极材料：

将步骤一所得硫化钒/碳布前驱体置于高温管式炉中一定温度下进行氮化，通入氩气与氨气混合气体，氮化一定时间后降至室温，得到氮化钒纳米片柔性复合电极材料。

进一步的，步骤一所述硫代乙酰胺、去离子水、氨水和偏钒酸铵的摩尔体积比为12～16mmol:35mL:2mL:2mmol。

进一步的，步骤一所述搅拌转速为100～500r/min，所述搅拌时间为40～60min。