[发明专利]一种自支撑硒钛氧钠阵列的制备方法

说明书

本发明提供了一种自支撑硒钛氧钠阵列的制备方法。具体操作是将钛箔依次用去离子水、无水乙醇、稀盐酸超声清洗。之后在水热条件下通过NaOH溶液对钛箔刻蚀，并在氮气氛围中，以硒粉为硒源，硒化后得到自支撑硒钛氧钠阵列。发现随着硒粉用量的变化，得到Na₂Ti₃O_6.2Se_0.8作为钠离子电池负极材料时的性能最优，在0.01‑3V的电压范围内，在电流密度1 A g^‑1下循环1000圈后仍具有155 mA h g^‑1的比容量。在大电流下Na₂Ti₃O_6.2Se_0.8仍具有较好的电化学稳定性，将Na₂Ti₃O_6.2Se_0.8作为钠离子电池负极材料性能稳定，在钠离子电池领域中具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种自支撑硒钛氧钠阵列的制备方法，并应用于钠离子电池负极，属于钠离子电池领域。

技术背景

随着低碳环保生活方式不断深入人心，人们对锂离子电池等能源储存器件的需求日益增加。锂离子电池也面临着自身问题，如锂资源储量少、开采难度大而导致的锂离子电池成本高。钠离子电池具有与锂离子电池相似的电化学性质，且钠盐资源丰富，近年来受到了研究者们的广泛关注。在整个电池中，电极材料的作用尤为重要，决定了整个电池的循环寿命。钛基电极材料具有丰富的原材料资源、高活性、安全无污染，因此成为了较合适的一类电极材料。近年来，具有较大层间距的层状材料在钠基储能器件中的应用引起了人们的广泛关注。具有锯齿状层状结构的Na₂Ti₃O₇具有310 mAh g^-1的理论比容量，已被广泛研究，并被认为是一种有前途的钠离子电池负极材料。我们提出了一种在钛箔上原位生长有序Na₂Ti₃O₇纳米薄片阵列为负极材料，活性物质和集电体之间牢固的粘附性使得电子和离子能够快速传输。然而，低电导率使其难以达到其理论容量，此外，长时间循环过程中的快速容量衰减极大地限制了其在钠离子电池中的实际应用。本发明提供了一种自支撑硒钛氧钠阵列的制备方法，硒掺杂可以显著提高钠离子电池电极的容量和倍率性能，具有更稳定的循环性能。

发明内容

本发明提供了一种自支撑硒钛氧钠阵列（Na₂Ti₃O_7-xSe_x）阵列的制备方法。具体操作是将钛箔（厚度0.1 mm，纯度99.9%, 3×5 cm²）依次用去离子水、无水乙醇、稀盐酸超声清洗。将清洗后的钛箔放入50 ^oC烘箱干燥1 h。将干燥的钛箔靠在装有1-5 M NaOH的40 mL聚四氟乙烯内衬高压釜内壁，然后在150-200℃下反应12-15h。将所得样品在50-60 ^oC烘箱中干燥10-12 h。将烘干材料与硒粉一同转移到烧结设备中，钛酸钠前驱体材料与硒粉的质量比为1：10-1：80，硒粉置于管式炉上游或均匀分散于钛箔表面，烘干的钛箔置于管式炉下游，钛箔上生长有均匀的钛酸钠阵列，在氮气下以1-5 ^oCmin^-1的升温速率达到300-500 ^oC后保温2-3 h，冷却至室温后得到自支撑硒钛氧钠（Na₂Ti₃O_7-xSe_x）纳米片状阵列。

本专利所发明自支撑硒钛氧钠阵列（Na₂Ti₃O_7-xSe_x）的制备方法具有以下特点：

（1）原位生长、无集流体、无粘结剂性能更加优异。

（2）硒掺杂显著提高Na₂Ti₃O₇的容量和倍率性能。