[发明专利]一种氮化钒量子点原位植入碳球复合材料及其制备方法和储钠应用

说明书

本发明提供了一种氮化钒量子点原位植入碳球复合材料及其制备方法和储钠应用，涉及钠离子电池材料技术领域。本发明提供的复合材料的组成包括无定形氮掺杂碳纳米球和高晶相氮化钒量子点；所述无定形氮掺杂碳纳米球具有开口的蛋黄‑壳结构，所述高晶相氮化钒量子点均匀地植入在所述蛋黄‑壳结构中；所述无定形氮掺杂碳纳米球的直径为160~240nm，所述高晶相氮化钒量子点的颗粒尺寸小于5nm。本发明提供的复合材料应用在钠离子电池负极中，不仅具有优异的长循环稳定性，还具有高的比容量、优异的倍率性能，钠离子存储性能突出。本发明还提供了所述复合材料的制备方法，过程简单，条件易控，有利于实现规模化生产。

技术领域

本发明涉及钠离子电池材料技术领域，特别涉及一种氮化钒量子点原位植入碳球复合材料及其制备方法和储钠应用。

背景技术

由于稳定的性能（高比容量和长循环寿命等）和成熟的工艺，锂离子电池被广泛用于各种便携式电子设备。不久的将来，在电动汽车、智能电网和可再生能源等大规模储能体系方面，将不可避免地导致对锂离子电池的快速增长需求。然而，锂资源的存量有限，将阻碍锂离子电池的可持续发展。钠是地壳中第四丰富的金属元素，为开发钠离子电池提供了大量的钠源。钠与锂具有相似的电化学性质，这意味着锂离子电池中的一些成熟技术可以迁移到钠离子电池，而且钠离子电池的安全性远优于锂离子电池，被认为是锂离子电池的潜在替代品。然而，在锂离子电池中广泛应用的石墨负极材料，却无法直接应用于钠离子电池中，因此开发高性能的负极材料显得尤为迫切。

过渡金属基纳米材料由于理论容量高和价格低廉，是一类极具有应用前景的负极材料，但它们大多数导电性较差。氮化钒具有大的理论容量（1238 mAh·g^-1）、高的电导率（1.17×10⁶S·m^-1）、突出的机械及化学稳定性和强的抗腐蚀能力，成为钠离子电池负极的理想候选材料。然而，现有的氮化钒负极材料在电化学反应过程中体积变化较大，表现出较差的循环稳定性能。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种氮化钒量子点原位植入碳球复合材料及其制备方法和储钠应用。本发明提供的氮化钒量子点原位植入碳球复合材料不仅具有优异的长循环稳定性，还具有高的比容量、优异的倍率性能，钠离子存储性能突出。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种氮化钒量子点原位植入碳球复合材料，所述复合材料的组成包括无定形氮掺杂碳纳米球和高晶相氮化钒量子点；所述无定形氮掺杂碳纳米球具有开口的蛋黄-壳结构，所述高晶相氮化钒量子点均匀地植入在所述蛋黄-壳结构中；所述无定形氮掺杂碳纳米球的直径为160~240nm，所述高晶相氮化钒量子点的颗粒尺寸小于5 nm。

本发明提供了以上技术方案所述氮化钒量子点原位植入碳球复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将偏钒酸铵、水、盐酸多巴胺和乙醇混合，得到混合溶液；

（2）在所述混合溶液中加入氨水进行自聚合反应，得到钒-多巴胺自聚合蛋黄-核结构纳米球；

（3）在保护气氛下，将所述钒-多巴胺自聚合蛋黄-核结构纳米球进行高温相转化，得到所述氮化钒量子点原位植入碳球复合材料；所述高温相转化的温度为850~1000℃。

优选地，所述步骤（1）中混合的具体方法为：

将偏钒酸铵溶解于水中，进行第一搅拌混合，得到偏钒酸铵水溶液；

在所述偏钒酸铵水溶液中加入盐酸多巴胺，进行第二搅拌混合，得到偏钒酸铵和盐酸多巴胺混合水溶液；

在所述偏钒酸铵和盐酸多巴胺混合水溶液中加入乙醇，进行第三搅拌混合，得到所述混合溶液。

优选地，所述第一搅拌混合、第二搅拌混合和第三搅拌混合的温度独立为5~15℃。