[发明专利]一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极以及制备方法和应用。所述电极由不锈钢网和不锈钢网上生长的铌酸铁纳米线构成，单根纳米线长度为0.8‑1μm，直径为30‑35nm，以阵列形式垂直、有序、密集地分布在基底表面。所述电极的制备方法为：将铌盐、氢氟酸、去离子水、无水乙醇按照比例混合均匀后放入不锈钢网作为铁源和基底，在一定温度下进行溶剂热反应；待反应结束后，取出不锈钢网洗涤、干燥，最后在惰性气体中退火处理得到电极。该制备工艺简单，重现性好，能耗低。纳米线阵列具有离子扩散路径短和结构稳定等优点，保证了电极材料在钠离子电池中表现出良好的倍率性能和循环性能，对柔性钠离子电池负极材料的研究具有重要意义。

技术领域

本发明属于钠离子电池领域，具体涉及一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极以及制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为当前发展最为成熟的电化学储能系统，在各种便携式电子设备、电动汽车、大型智能电网等储能设备中应用广泛。然而，由于锂资源不足、分布不均匀以及价格昂贵等因素限制了其在大规模储能中的进一步应用。钠和锂属同一主族元素，与锂具有相似的物化性质和电化学储能机理，并且钠在地球上储量丰富、分布均匀、原料成本低，这些优势促使钠离子电池有望替代锂离子电池应用于大规模的储能设备中。由于钠离子半径大于锂离子半径/钠离子在反复脱嵌的过程中电极材料极易发生体积膨胀，造成材料结构的塌陷，导致容量的不可逆损失以及倍率性能差等问题。因此，开发高性能、结构稳定的电极材料成为当前钠离子电池研究工作的重点。

负极材料一直是钠离子电池研究的重要内容，铌基材料作为其中之一，具有体积膨胀小、充放电速度快、容量高等优点被广泛研究。正交相的铌酸铁材料作为铌基材料的代表，具有便于离子的嵌入和脱出的开放、稳定的八面体结构以及丰富的氧化还原反应对，是一种极具应用前景的钠离子电池负极材料。

当前制备铌酸铁的方法主要为固相法、共沉淀法、水热法等。然而采用上述方法制备出的材料多为大尺寸的块体材料(微米级)，不利于离子的扩散，会对电池的容量以及倍率性能产生不利影响。将材料纳米化可以缩短离子扩散路径从而提高材料的倍率性能，被认为是解决这类问题的有效措施之一。遗憾的是，纳米粉末在高温煅烧处理后容易发生团聚，并且传统电极的制备方法是将活性材料与导电剂、粘结剂等非活性物质混合后涂覆在金属集流体上，该方法不仅会降低电池的能量密度，而且在充放电过程中材料容易脱落从而导致容量衰减、倍率和循环性能差等问题。阵列电极无需额外的添加剂，可以有效解决以上问题。然而，到目前为止还未成功制备出阵列结构的铌酸铁材料。

发明内容

本发明主要是针对现有技术的不足，提供一种柔性铌酸铁纳米线阵列电极及其制备方法。该制备方法操作简便，重现性好，所制备的铌酸铁纳米线阵列与不锈钢网结合力强，无需使用粘结剂，具有良好的柔韧性，同时利用纳米线结构上的优势，大大提高了电子/离子的传输能力，将其应用于钠离子电池表现出优异的储钠特性。

为实现上述目的，本发明提供铌酸铁纳米线阵列电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将不锈钢网置于无水乙醇中超声去除表面杂质后烘干待用；

(2)将铌盐、氢氟酸、去离子水、无水乙醇按照设定比例混合均匀后移至反应容器中，再放置步骤(1)中的不锈钢网，在一定温度下反应一段时间；

(3)将步骤(2)中的得到的材料在惰性气体中退火后即得到电极材料。

按上述方案，所述的铌盐为五氯化铌、草酸铌或乙醇铌中的任意一种或多种的混合。

按上述方案，步骤(2)混合溶液的预设比例为：铌盐0.6-0.8g、氢氟酸0.9-1.1g、去离子水3.0-4.0mL、无水乙醇60-80mL，所述的氢氟酸质量百分比浓度为40％。

按上述方案，步骤(2)反应温度为180-210℃，反应时间为15-18h。

按上述方案，退火过程是以1-10℃/min的升温速率升温至700-750℃后保温1-5h。