[发明专利]一种柔性钠离子电容器电极材料

说明书

本发明提供了一种柔性钠离子电容器电极材料，其是将负载金属铋盐的碳基二维薄膜经瞬时加热，得到负载铋纳米颗粒的碳基二维薄膜电极材料。本公开通过真空抽滤结合瞬时加热的手段，在碳基二维薄膜上成功负载纳米量级金属铋，纳米量级的尺寸分布可以有效缓解铋在合金化过程中的体积变化，解决了金属铋在合金化过程中剧烈的体积变化的问题，有效避免了柔性电极的结构粉化，确保柔性钠离子电容器获得优异的循环稳定性。同时，碳基材料作为瞬时加热衬底，具有极佳的结构稳定性，处于秒级的加热时间还可以避免对于碳基衬底的损伤。

技术领域

本发明属于二次电池电极材料领域。具体的说本发明涉及一种柔性钠离子电容器电极材料。

背景技术

当前，高度集成化的可穿戴电子设备被广泛应用在了人们的生活中，轻便、灵活的便携式电子设备正在改变人们的生活方式。与此同时，柔性可穿戴电子产品需要具有高体积比性能的储能设备来驱动以实现长续航、满足复杂工况（如机械形变）的目的。与其他现有的储能系统相比，锂离子电池是目前移动设备应用中性能最优的储能设备，其单位质量/体积的能量密度最高，使用寿命长，工作温度范围宽。对于柔性锂离子电池的研究已经引起了学术界和工业界的广泛关注。然而尽管锂基柔性储能设备具有理想的体积比性能，但较低的地壳储量，导致锂资源的成本不断增加。应用在锂基储能设备中的锂正极材料（如高镍材料、磷酸铁锂等）的价格逐年攀升，高昂的成本限制了锂基储能设备的发展。

与之相反，钠具有天然的丰度且与锂同为碱金属，两者具有相似的理化性质。钠基储能设备的低成本与高安全性使其有望替代锂作为未来主流电化学储能体系实现大规模应用，因而发展高体积比性能的柔性钠基储能设备具有极高的市场价值与长远的战略意义。

在柔性钠基储能设备中，柔性钠离子电容器综合了超级电容器与二次电池两者的优点，其主要采用两种基本工作原理不同的正负极材料。其中，非法拉第充放电过程发生在电容碳电极上，在负极发生表面和近表面约束的氧化还原反应。柔性电极材料的制备是柔性钠离子电容器的核心。高体积比性能的柔性电极材料可以为柔性钠离子电容器提供更高的能量密度，同时保持良好的循环稳定性。

相比于Li⁺，Na⁺更大的离子半径会导致钠基储能设备在充放电过程中电化学反应动力学缓慢、可逆容量低、倍率性能差、循环稳定性欠佳。金属铋由于具有较大的层间距，较高的储钠理论容量，可以在低电位下储存大量Na⁺，因而成为了钠基储能设备的研究热点。然而作为合金型负极材料，金属铋在合金化过程中剧烈的体积变化是阻碍其进一步应用的主要限制。

另外，为了使柔性钠离子电容器在重复机械形变条件下维持稳定的能量输出，柔性电极材料还需具备优良的机械性能。因此，兼具高体积比性能以及优良机械性能的适用于柔性钠基储能设备的电极材料是目前研究人员探索的重点方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性钠离子电容器电极材料，旨在为柔性钠离子电容器开发出具有优良机械稳定性、高体积比性能、快速电化学反应动力学的柔性电极材料，解决金属铋在作为负极材料时因合金化过程剧烈体积变化而导致容易粉化的问题。

本发明的目的是这样实现的：

本申请实施方案公开了一种柔性钠离子电容器电极材料，其是在碳基二维薄膜上负载有纳米量级粒径的铋纳米颗粒，并按照以下工艺制成：

1）将碳基材料加入表面活性剂溶液中并分散，得到碳相分散液；

2）按一定质量比将金属铋盐和/或Bi₂O₃加入到所述碳相分散液中并分散，得到金属铋盐和/或Bi₂O₃/碳相分散液；

3）将所述金属铋盐和/或Bi₂O₃/碳相分散液进行抽滤、烘干，得到负载金属铋盐和/或Bi₂O₃的碳基二维薄膜；