[发明专利]一种介孔钛酸钠/碳复合电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种介孔钛酸钠/碳复合电极材料及其制备方法与应用，复合电极材料的介孔孔径为3‑5nm，比表面积为100‑600m²/g，包括纯相钛酸钠以及包覆的碳；以表面活性剂为模板，在溶剂中加入络合剂、钛源和钠源，混合干燥后煅烧处理，得到所述的复合电极材料。与现有技术相比，本发明首次实现了介孔钛酸钠/碳复合电极材料的合成及其在电池中的应用，制备工艺简单、易于放大生产，可控性强，所得材料的孔径、比表面积和介观结构均可调，作为钠电池正极或钠离子电池负极材料，同时具有首周库伦效率高、工作电压低、倍率性能优异和循环稳定性好的优点，包含这些材料的可充放钠电池或钠离子电池具有高能量密度和功率密度的优势，展现出广阔的市场应用前景。

技术领域

本发明涉及钠离子电池电极材料技术领域，具体涉及一种介孔钛酸钠/碳复合电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

钠离子电池具有资源丰富和成本低廉的优势，凸显了在大规模储能和智能电网等应用领域中巨大的天然潜力。然而其能量密度、功率密度和长循环稳定性，仍然是其实用化发展中的短板，需要进一步提升。负极材料对电池的能量密度和稳定性起着至关重要的作用。最理想的负极材料应具有较低的放电电压、高的理论容量。同时，首周库伦效率、功率特性以及循环稳定性也是重要的性能指标。

钛基负极材料由于其高效的储钠活性、高稳定性、低成本和无毒而引起了极大的兴趣。比如，Na_0.23TiO₂作为一种半导体材料，较低的放电电压平台(0.3V vs Na/Na⁺)，这可以在实际电池中产生更高的工作电压和能量密度，然而其在现有的研究中很少被报道。已有文献通过设计Na_0.23TiO₂和Ti₃C₂的复合结构用于钠电池，但是其合成方法复杂，需要通过高温的水热反应(Nano Energy,2018,46,20-28)；也有报道通过熔融盐的方法将钠离子电化学嵌入到TiO₂中，该方法合成条件苛刻，不利于大规模生产(J.Mater.Chem.A,2015,3,16495-16500)。同时，这些合成方法得到的Na_0.23TiO₂作都是微米级结构，不利于其储钠性能的发挥。Na₄Ti₅O₁₂作为一种潜在的储钠材料，具有M-Na₄Ti₅O₁₂和T-Na₄Ti₅O₁₂两种结构，都具有一定的电化学性能，但这些研究工作合成的微米级的Na₄Ti₅O₁₂纳米颗粒，用于钠离子电池时性能较差，远远未达到实际使用的需求(J.Electrochem.Soc.,2012,12,A2016-A2023；Chem.Mater.,2014,26,7067-7072)。而Na₈Ti₅O₁₄作为一种钛酸盐材料，还未被应用于钠离子电池中。

发明内容

本发明的目的是提供一种介孔钛酸钠/碳复合电极材料及其制备方法与应用，用于组装钠电池或钠离子电池。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种介孔钛酸钠/碳复合电极材料，介孔孔径为3-5nm，比表面积为100-600m²/g，包括纯相钛酸钠以及包覆的碳。