[发明专利]一种铁原位掺杂钛酸钠电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铁掺杂钛酸钠纳米阵列电极材料及其制备方法，所述电极材料由作为基底的钛片和铁掺杂钛酸钠阵列膜构成，其中阵列膜由相互交错的钛酸钠纳米片组装而成，钛酸钠纳米片的厚度为30纳米，均匀密集地分布在钛片表面，并且阵列膜的形貌和尺寸可以通过调控前驱物的比例实行有效调控。本发明中相互交错的纳米片阵列结构，可以使电解液与活性材料充分接触，增加电解液的渗透能力，减小界面电阻；且纳米阵列直接生长在钛片集流体上，缩短了离子的传输路径，并有利于电子的传输；本发明电极材料在各种水系金属离子电解液中展现了显著的氧化还原峰，特别地，在金属离子中性电解液中也展现出明显的氧化还原峰，具备良好的电池特征。

技术领域

本发明涉及无机材料制备技术领域，具体涉及一种铁掺杂钛酸钠纳米阵列电极材料及其制备方法。主要用于有机系、水系金属离子电池的负极等。

背景技术

水系金属电池因其成本低廉、固有的安全性和环境友好等优势，在大规模储能领域中具有潜在应用价值。目前，氧化铁作为过渡金属氧化物电极材料之一，以其具有高容量、低成本、适合商业化的发展等优点，得到了人们广泛的关注。然而遗憾的是，在水系电解液中，氧化铁电极氧化峰和还原峰的电位差较大(极化大)，导致转化反应的还原电位很负，明显低于水电解的析氢电位，因此会伴随严重的析氢现象，直接影响电极的库伦效率及循环寿命等。且电极在中性电解液中没有明显氧化还原反应，并不具备电池电极的特征行为。现有技术主要采取碳材料复合或者氧化物包覆等策略来改善氧化铁的循环稳定性，这些策略有成效但其氧化峰与还原峰的极化程度并没有改善。此外，已设计的氧化铁电极在中性电解液中仍不具备电池电极的特征行为，其转换反应迄今未能应用于中性水系金属离子电池。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁掺杂钛酸钠纳米阵列电极材料及其制备方法，铁掺杂钛酸钠纳米阵列电极材料在各种水系金属离子电解液中展现了显著的氧化还原峰，尤其在金属离子中性电解液中也展现出明显的氧化还原峰，具备良好的电池特征。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种铁掺杂钛酸钠纳米阵列电极材料，所述电极材料由作为基底的钛片和铁掺杂钛酸钠阵列膜构成，其中阵列膜由相互交错的钛酸钠纳米片组装而成，钛酸钠纳米片的厚度为30纳米，均匀密集地分布在钛片表面，并且阵列膜的形貌和尺寸可以通过调控前驱物的比例实行有效调控。

一种铁掺杂钛酸钠纳米阵列电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硫代硫酸钠、硫酸亚铁、氢氧化钠充分混合均匀后得到混合溶液；

(2)将钛片和步骤(1)混合溶液置于聚四氟乙烯内胆衬底的高压釜中，180℃水热反应；

(3)将步骤(2)水热反应后长有铁掺杂钛酸钠纳米片阵列的钛片取出，分别用乙醇、去离子水冲洗并烘干，得到铁掺杂钛酸钠纳米阵列电极材料，即水系金属离子电池电极材料。

本发明一具体实施例中，步骤(1)所述硫酸亚铁可用其他的金属盐替代来进行其他金属离子的掺杂，其他的金属盐包括但不限于锌盐、铋盐。

本发明一具体实施例中，所述铁掺杂钛酸钠纳米电极材料可用作各种水系金属离子电池(或者其他混合电化学储能器件)负极等。

本发明使用钛酸钠纳米片二维限域的层状结构改善了电极的循环稳定性以及氧化还原峰的极化程度，得到具有三维网状结构的铁掺杂钛酸钠纳米阵列电极材料作为水系金属电池负极材料。构建三维网状结构不仅有利于电极材料内部电子的传输，而且降低了电解质离子在电极内部的扩散阻力，对发挥电极材料电化学性质起到重要作用。特别地，作为水系金属离子电池负极材料在各种中性金属离子电解液(硫酸锂、硫酸钠、硫酸钾、氯化锂、氯化钠、氯化钾等)和碱性金属离子电解液(氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾等)中均具有优异的电化学性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：