[发明专利]一种层间距可调的钠离子电池用硒化铜纳米片阵列的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种层间距可调的钠离子电池用硒化铜纳米片阵列的制备方法及其应用，所述硒化铜纳米片阵列是以高纯铜箔、硒源、氢氧化钠、强还原剂、插层剂为原料，以水为溶剂，在20～80℃下反应0.5～4 h，获得一种层间距可调的钠离子电池用硒化铜纳米片阵列。本发明的突出特点在于以较低的温度实现硒化铜层间距的调控，且该材料制备方法简单，能耗低，易于工业化大规模生产；其次硒化铜纳米片阵列排列一致性好，形貌可控，具有较高的比表面积。该材料用作钠离子电池负极材料时，表现出比容量高、倍率性能好、循环性能优越的优点。因此该材料有望在钠离子电池以及其他碱金属离子电池，热电材料等领域取得广泛应用。

技术领域

本发明涉及钠离子电池负极材料的制备领域，具体涉及一种层间距可调的钠离子电池用硒化铜纳米片阵列的制备方法及其应用。

背景技术

能源和环境是当今人类生存与社会发展必须应对的两个重大问题，随着煤炭石油等化石资源的枯竭和环境的日益恶化，发展太阳能、风能和水能等可再生能源已经成为全球性趋势。随着可再生能源与分布式能源大量接入电网，为了克服风能或太阳能发电不规则和断续输出特点，储能电池广泛用于发电、输配电和用电领域。

尽管锂离子电池具有电压高、循环寿命长、自放电小和无记忆效应等优点，但是锂离子电池电池成本较高（正极材料、电解液、隔膜价格昂贵），同时锂离子电池面临着锂资源短缺，回收困难等问题。从经济性方面考虑，高成本的锂离子电池并不适合在大规模储能领域应用。钠元素与锂元素具有相似的理化性质，且其来源广泛，储量丰富，以钠的相关化合物为原料的二次电池体系在成本上具有极大的优势，因此，钠离子电池在大规模储能领域极具应用潜力。

作为电池的重要组成部分，具有高比容量和长寿命循环特性的负极材料对于提高电池的总体储能密度至关重要。基于电化学反应机理的负极材料分为三类：嵌入类型，合金化类型和转化类型。

具有多电子反应的转换型负极材料可以提供高比容量，这将是一种钠离子电池非常有前景的材料。与嵌入型材料相比，过渡金属化合物通过转化反应能够完全还原为金属态从而使材料具有更高的理论容量。例如，复旦大学赵东元课题组将高度结晶的介孔Fe₃O₄封装在N掺杂的空心碳纳米球中，用于高容量长寿命钠离子电池，该材料在160 mA g^-1的电流密度下具有372 mAh g^-1的高放电容量，且经过800次循环，材料容量逐渐增加并保持在522 mAh g^-1，在1200 mA g^-1的电流密度下容量为196 mAh g^-1和高库仑效率(~100％)，展现了优异的倍率性能和循环稳定性(Nano Energy, 2019, 56, 426)。此外，转换型负极材料的反应电位可以通过组合不同的过渡金属阳离子和阴离子物质来调节，这可以有效地确保电池的安全性。同时，许多转化型阳极材料如Fe₃O₄和FeS₂以天然形式存在，具有极低的生产成本。

虽然转换型负极材料具有许多优点，但由于它们的离子/电子传导性低，充放电过程中材料体积变化相对较大以及电解质分解等问题，这一类型的材料实用化仍存在许多挑战。低电导率将导致较差的动力学并降低材料倍率性能。大体积膨胀使电极材料粉碎，导致电池容量快速衰减。此外，电解质分解可能导致电极的电阻增大，影响电极材料的电化学性能。因此，仍然需要做出许多努力来使转换型负极材料成为钠离子电池的实用替代材料。