[发明专利]一种用于锂离子和钠离子电池的2D-CaV4

说明书

本发明公开了一种用于锂离子和钠离子电池的2D CaV₄O₉纳米片材料及其制备方法，锂离子/钠离子电池负极材料技术领域，该材料中CaV₄O₉为二维薄片结构。制备方法为：采用水热合成与液相超声剥离相结合的方法，以氢氧化钙和五氧化二钒为原料，制备3D CaV₄O₉，选取不同的溶剂(N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)；N‑甲基吡咯烷酮(NMP)和乙腈)超声8小时得到2D CaV₄O₉纳米片。本专利工艺可以实现2D纳米片的厚度调控，从而提高材料的比表面积，使材料具备高比容量和优异的倍率性能。此方法制备工艺简单、环境友好、可以实现工业化宏量生产，并且可以拓展应用于其他同类2D纳米片材料的制备生产。

技术领域

本发明属于锂离子/钠离子电池负极材料技术领域，涉及一种二维纳米材料的制备方法。具体涉及到利用水热合成和液相超声剥离技术相结合的方法制备2D CaV₄O₉纳米片。

背景技术

电化学储能技术是现代生活实现信息化和智能化不可或缺的一环，其重要性不言而喻。在众多储能器件中，锂离子电池(LIBs)应用最广。在便携式电子设备领域，锂离子电池基本上已经占据了绝大部分市场份额，而在电动汽车动力源领域，其主导地位也越来越明显。因此，市场对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。由于锂金属的稀缺性，研究者在继续开发高能量密度锂离子电池的同时也在寻找其替代品。钠离子电池(SIBs)与锂离子电池LIBs具有类似的电化学储能机理，因此也同样被认为是一种很有前景的电池技术，在部分领域，甚至有望替代锂离子电池。但是，钠离子的尺寸较大，原子质量重，化学反应动力学缓慢。所以，从目前的已有的研究基础来看，SIBs的性能还不能满足需求。从技术上讲，无论是对现有LIBs的储能性能进行升级，还是研发新型高性能SIBs，开发高效适配的电极材料都是其中的关键环节。而且，从商业化的角度讲，寻找一种合适的且在锂/钠离子电池中均有活性的新型高效电极材料更有意义，尤其是负极材料。

钒氧化物因其独特的层状结构，很适合作为离子电池的负极材料。近年来，在LIBs领域和SIBs领域都被当做电池负极的热点明星材料在研究。钒氧化物结构中，V-O键的强度较大，在低价下也不会达到零，所以当钒氧化物用作负极材料时，充放电过程中体积变化较小。同时，多价钒在电化学反应中可以进行多电子转移，使钒氧化物发生更多的电化学反应，从而获得较高的比容量。然而，像一般典型的钒氧化物(如V₂O₅、V₂O₃等)的电导率较低，反应动力学较差。钒酸钙(CaV₄O₉)作为一种新型的无机层状化合物，显示出了更高的电导率和比表面积，在充放电循环过程中的体积变化较小。由于其独特的层状结构，CaV₄O₉可以被剥离成超薄的二维CaV₄O₉(2D CaV₄O₉)纳米片。其高比表面积、良好的导电性和二维结构，也使得二维材料在电化学储能领域具有广阔的应用前景。本发明创新性的选用了水热合成与液相超声剥离技术相结合的方法，将三维块体材料剥离成二维片状材料，方法简单、成本低廉。剥离过程中通过选取不同的溶剂来调控纳米片的厚度并将2D CaV₄O₉用于锂离子电池和钠离子电池负极材料。更重要的是将CaV₄O₉用作LIBs和SIBs的电极材料时，该电极材料展现出高容量、优异的循环稳定性以及高倍率特性等诸多优点。

发明内容