钠离子电池电极材料、电极片及其制备方法和电池技术

本发明专利技术公开了一种钠离子电池电极材料、电极片及其制备方法和电池，其中该钠离子电池电极材料的制备步骤包括：将原料在预定温度下与硫系氢化物反应得到；所述硫系氢化物包括：H2S、H2Se或H2Te中的一种或几种；所述原料选自于MAX相材料、MXene材料或过渡金属硫系化合物MY2中的至少一种，其中，所述MY2中的M代表过渡金属元素，所述Y代表硫、硒或碲元素中的一种。硒或碲元素中的一种。硒或碲元素中的一种。

【技术实现步骤摘要】
钠离子电池电极材料、电极片及其制备方法和电池
[0001]本申请是分案申请，其母案是申请日为2022年4月18日，申请号为“202210404234.7”、专利技术名称为“一种过渡金属硫系化合物及其制备方法、用途及储能器件”的专利技术专利申请。


[0002]本专利技术是属于新材料和电池领域，特别是关于一种钠离子电池电极材料、电极片及其制备方法和电池。

技术介绍

[0003]石墨烯、六方氮化硼(h
‑
BN)和过渡金属硫系化合物(TMC)等二维纳米晶体因其具有极高的各向异性而引起广泛关注。特别是，2D TMC具有多种化学功能，由过渡金属(M＝V、Nb、Ta、Mo、W等)和硫族元素(X＝S、Se、Te)组成，显示出从半导体到半金属和金属的可调电特性，在电子、光电子、能量储存和转换领域具有巨大的前景。目前，研究最广泛的2D TMC纳米晶体通常是范德华(vdW)层，如MoS2和WS2，可以通过机械、液相和电化学剥离分层对应物，基于自上而下的方法轻松制备。在剥离过程中，层间范德华力较弱的块状层状TMC化合物可通过外力作用(如粘附力、剪切力和超声波作用)被切割，从而形成单层和少量2D TMC纳米晶体。与范德华TMC层相比，2D非范德华TMC更难制备，因为这些化合物存在于三维键合网络中，而不存在层间范德华力，使得它们难以通过常见的剥离方法进行切割，并极大地阻碍了它们的进一步发展和广泛应用。
[0004]非范德华TMC可以存在于各种晶体结构中，例如立方黄铁矿和NiAs型结构，这些结构由金属原子组成，周围有六个八面体构型的硫原子。这些独特的结构特征具有各向异性的面内和面外键合，与特定过渡金属的可调谐d轨道电子相关，使得非范德华TMC纳米晶体具有良好的电性能。例如，非范德华钒硫化物，如V5S8，由VS2层组成，在VS6八面体配位中嵌入V原子，分别为嵌入的V原子和其他V原子具有局域和流动的3d电子，从而使其具有约500S cm
‑1的高导电性的金属性质。更引人注目的是，通过将大量非范德华TMC隔离到2D极限，充分暴露的金属、丰富的悬挂键和不饱和配位正在出现，这一特点在2D范德华TMC中不存在，2D非范德华TMC可以提供许多电化学活性位点。不幸的是，迄今为止，由于二维非范德华TMC纳米晶体的三维键合结构，其制备仍然是一个巨大的挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对钠离子电池提供一种新型的具有电化学活性的电极材料，也即一类过渡金属硫系化合物，该电极材料的制备方法包括：将原料在预定温度下与硫系氢化物反应得到；所述硫系氢化物包括：H2S、H2Se或H2Te中的一种或几种；所述原料选自于MAX相材料、MXene材料或过渡金属硫系化合物MY2中的至少一种，所述MY2中的M代表过渡金属元素；所述Y代表硫、硒或碲元素中的一种。
[0006]在一些实施方式中，上述钠离子电池电极材料具有二维片层堆积的膨胀体形貌。
[0007]在一些实施方式中，上述钠离子电池电极材料具有二维片层的形貌。
[0008]在一些实施方式中，上述二维片层的厚度介于2nm至10nm之间。
[0009]在一些实施方式中，上述二维片层存在金属M空位。
[0010]在一些实施方式中，上述二维片层具有单斜晶体结构，或，六方晶体结构。
[0011]在一些实施方式中，上述钠离子电池电极材料的化学式表示为M
a
Y
2a 2
，3≤a≤5，所述M代表过渡金属元素中的一种或多种。
[0012]在一些实施方式中，上述M选自钒、钛、铬、钼、钨或铌元素中的一种或多种。
[0013]在一些实施方式中，上述制备方法中的预定温度介于600℃至800℃。
[0014]在一些实施方式中，上述预定温度优选为700℃。
[0015]本专利技术还提供一种钠离子电池正极片，包括上述的钠离子电池正极材料；以及，导电剂和集流体。
[0016]在一些实施方式中，上述导电剂包括科琴黑；
[0017]在一些实施方式中，上述集流体为金属钛箔。
[0018]本专利技术还提供一种上述钠离子电池正极片的制备方法，步骤包括：将上述钠离子电池正极材料和上述导电剂混合后调制成浆料；将该浆料涂覆于上述集流体上干燥后得到。
[0019]本专利技术还提供一种钠离子电池，该钠离子电池包括上述的钠离子电池电极材料，或，上述的钠离子电池电极片。
[0020]本专利技术为2D非范德华过渡金属硫化物的制备提供一种新的技术路径，并获得了一类新型结构的过渡金属硫系化合物材料，其具有二维超薄特征、高度暴露的表面、高导电性和独特的空位结构，基于该些结构特征，本专利技术还提供了将其作为离子存储的用途，可以作为电池或超级电容器的电极材料。特别地，本专利技术的2D非范德华过渡金属硫系化合物针对较大离子半径的离子如(锌离子、钠离子、铝离子等)，为非锂离子的新型储能器件的开发提供了新型的电极材料。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1中，热处理过程中由MAX
‑
V2GeC转化为2DNon
‑
vdWV3S4的过程示意图(a)；得到的2D Non
‑
vdWV3S4的XRD图谱(b)和XPS测量光谱(c)；
[0022]图2为本专利技术实施例1中，2D Non
‑
vdW V3S4的SEM图；
[0023]图3为本专利技术实施例1中，2D Non
‑
vdW V3S4的形貌表征，包括：2D Non
‑
vdW V3S4的横截面TEM图像(a)和TEM图像(b)；2D Non
‑
vdW V3S4的横截面HRTEM图像(c
‑
d)；2D Non
‑
vdW V3S4的AFM图像(e)和对应的厚度分析(f)；
[0024]图4为本专利技术实施例1中，前驱体MAX
‑
V2GeC的SEM图像；
[0025]图5为本专利技术实施例1中，2D Non
‑
vdW V3S4的结构和电学特性，包括：2D Non
‑
vdW V3S4的SEM图像(a)，显示了超薄透明的纳米片；2D Non
‑
vdWV3S4的HRTEM图像和(插图)相应的FFT图案，显示了六方晶型规则的原子排列和单晶特征(b)；2D Non
‑
vdW V3S4的HRTEM图像(c)，其中许多V空位被圈出；俯视图中单斜V3S4的原子模型，其中V空位以虚线圆圈突出显示(d)；2D Non
‑
vdW V3S4的拉曼光谱(e)，显示了V
‑
S键振动模式的典型峰值；2D Non
‑
vdW V3S4和MXene V2CT
x
的电流
‑
电压曲线(f)，揭示了V3S4纳米晶体的金属特征；
[0026]图6为本专利技术实施例1中，2D Non
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池电极材料，其特征在于，所述钠离子电池电极材料的制备步骤包括：将原料在预定温度下与硫系氢化物反应得到；所述硫系氢化物包括：H2S、H2Se或H2Te中的一种或几种；所述原料选自于MAX相材料、MXene材料或过渡金属硫系化合物MY2中的至少一种，其中，所述MY2中的M代表过渡金属元素，所述Y代表硫、硒或碲元素中的一种。2.如权利要求1所述的钠离子电池电极材料，其特征在于，所述过渡金属硫系化合物具有二维片层堆积的膨胀体形貌；或，所述过渡金属硫系化合物具有二维片层的形貌。3.如权利要求2所述的钠离子电池电极材料，其特征在于，所述二维片层的厚度介于2nm至10nm之间；和/或，所述二维片层存在金属M空位。4.如权利要求2所述的钠离子电池电极材料，其特征在于，所述二维片层具有单斜晶体结构，或，六方晶体结构。5.如权利要求1所述的钠离子电池电极材料，其特征在于，所述钠离子电池电极材料的化学式表示为M
a
Y

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，杜志国，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：