【技术实现步骤摘要】
本公开属于电化学，尤其涉及一种具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着清洁可再生能源的大力发展，环保、可靠的大规模储能系统的需求与日俱增。考虑到锂资源短缺且分布不均，开发基于高丰度元素的替代储能系统迫在眉睫。钠离子电池(sibs)凭借丰富的na资源(低成本)、合适的氧化还原电位以及优异的低温表现吸引了大量的研究。虽然大量的研究工作已经使得sibs越来越具备实际应用的潜力，但是其较低的能量密度，较差的倍率和循环性能以及极端环境(例如低温)的耐受表现仍然达不到实际应用的要求。在电极材料方面，已经开发出了性能能够与libs相媲美的高倍率、长循环sibs正极(例如na3v2(po4)3，层状氧化物，普鲁士蓝类似物等)。然而，sibs负极材料的进展相对滞后，因此开发与相应正极材料匹配的高性能负极材料是目前sibs发展的主要瓶颈。
2、寻求能够可逆存储较大尺寸钠离子的高性能负极材料是推动sibs进一步发展的关键。作为成功应用于libs的低成本、高性能负极材料，石墨具有372mah g-1的可逆容量。遗憾的是，石墨几乎没有储钠活性(可逆容量小于35mah g-1)。扩大石墨层间距、选择合适的电解液或者使用无定形碳虽然证明碳材料在sibs负极方向的广阔前景，但是其可逆容量仍然有限，且目前已经接近它的理论容量。另一方面，无定形碳的嵌钠电位较低，在高倍率工况下容易形成na枝晶。因此，为了满足日益增长的储能需求、提高可充电电池的能量密度，迫切需要开发区别于嵌入机制的储能体系，比如合金化机制。
技术实现思路
1、针对上述问题，本公开提供了一种具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料及其制备方法和应用。
2、根据本公开的第一方面，提供了一种具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料bi/n-cnss的制备方法，其特征在于，所述阵列结构为金属铋层与氮掺杂碳纳米片交替排列，所述金属铋层由铋纳米颗粒相互连接而成，所述复合材料的制备方法包括以下步骤：
3、a、制备bi(no3)3·5h2o/tma-ma前驱体：称取0.1～1.3g三聚氰胺c3h6n6,ma，0.2～2.1g均苯三甲酸c9h6o6,tma以及0.5～5.0g五水合硝酸铋bi(no3)3·5h2o，依次加入到20～100ml去离子水中，持续搅拌10～20h，再将其放入电热鼓风干燥箱中，依次进行100～120℃保温20～30h和120～150℃保温5～20h的干燥处理；
4、b、将得到的bi(no3)3·5h2o/tma-ma前驱体研磨成粉末，在5％ h2/ar气氛中以退火温度500～1000℃保温1～5h后随炉冷却至室温，最终得到具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料，即bi/n-cnss。
5、优选地，通过调节步骤a中所述bi(no3)3·5h2o的剂量来控制所述bi/n-cnss复合材料中bi的含量以及阵列结构的形成。
6、优选地，通过调节步骤b中所述退火温度来控制所述bi/n-cnss复合材料中碳的含量以及n-cnss的石墨化程度。
7、根据本公开的第二方面，提供了一种具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料bi/n-cnss。
8、根据本公开的第三方面，提供了一种具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料bi/n-cnss的应用，其特征在于，
9、将所述复合材料作为钠离子电池负极材料进行电化学性能测试，包括以下步骤：
10、a、工作电极制备：先将所述复合材料bi/n-cnss，与导电炭黑和粘结剂羧甲基纤维素钠按照7:2:1的比例在去离子水中混合均匀后涂敷在铜箔上，再于50～100℃真空干燥8～20h，然后将其裁成直径为11～12mm的圆形电极片；
11、b、钠离子电池组装：将所述圆形电极片作为工作电极，金属钠片作为对电极/参比电极，隔膜使用whatman玻璃纤维，电解液选取1m的napf6溶解在乙二醇二甲醚，在充满氩气的手套箱中组装成cr2025型纽扣电池，手套箱中水氧值分别控制在[h2o]<1ppm，[o2]<1ppm；
12、c、使用ivium-n-stat电化学工作站进行循环伏安测试，扫速为0.1～0.2mv s-1，电压范围选取0.01～1.5v；
13、d、使用ivium-n-stat电化学工作站在室温下进行电化学阻抗测试，设置频率范围为100khz到10mhz；
14、e、电池的常温测试：使用land-ct2001a电池测试系统在室温下进行恒流充放电测试，电压范围为0.01～1.5v；
15、f、电池的低温测试：将电池置于bph-060b型高低温试验箱中，使用land-ct2001a电池测试系统进行低温下的恒流充放电测试，电压范围为0.01～1.5v；
16、g、电池的拆卸表征：在手套箱中拆解充放电测试后的纽扣电池，取出电极片，放入乙二醇二甲醚溶液中浸泡15～30h，再用乙醇清洗3～5次，待干燥后进行非原位透射电镜tem表征，手套箱中的水氧值分别控制在[h2o]<1ppm，[o2]<1ppm；
17、h、电池的原位表征：原位xrd池以金属铍作为窗口以透过x射线，铝箔为集流体，电解液采用1m的napf6溶解在二乙二醇二甲醚，隔膜与扣式电池中相同；在0.1ag-1电流密度下进行恒流充放电，xrd数据每间隔4min采集一次，在10°～90°范围内以20°min-1的扫速进行测试。
18、本公开技术方案的有益效果是：
19、本公开以简单的两步合成法原位构建了具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料(bi/n-cnss)，其具有三维连续的导电网络和快速的离子扩散通道，加速了反应动力学；阵列结构可以充分释放bi在合金化/去合金化过程中由于剧烈体积变化产生的应力，有效保障了整体结构的稳定性。作为钠离子电池负极材料，bi/n-cnss表现出较高的放电容量、优异的倍率性能(100ag-1电流密度下的容量为337mah g-1，容量保留率高达91.5％)以及突出的循环稳定性(5本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料Bi/N-CNSs的制备方法，其特征在于，所述阵列结构为金属铋层与氮掺杂碳纳米片交替排列，所述金属铋层由铋纳米颗粒相互连接而成，所述复合材料的制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料Bi/N-CNSs的制备方法，其特征在于，通过调节步骤a中所述Bi(NO3)3·5H2O的剂量来控制所述Bi/N-CNSs复合材料中Bi的含量以及阵列结构的形成。
3.根据权利要求1所述的具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料Bi/N-CNSs的制备方法，其特征在于，通过调节步骤b中所述退火温度来控制所述Bi/N-CNSs复合材料中碳的含量以及N-CNSs的石墨化程度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法得到的具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料Bi/N-CNSs。
5.根据权利要求4所述的具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料Bi/N-CNSs的应用，其特征在于，将所述复合材料作为钠离子电池负极材料进行
...【技术特征摘要】
1.一种具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料bi/n-cnss的制备方法，其特征在于，所述阵列结构为金属铋层与氮掺杂碳纳米片交替排列，所述金属铋层由铋纳米颗粒相互连接而成，所述复合材料的制备方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的具有类三明治阵列结构的铋/氮掺杂碳纳米片复合材料bi/n-cnss的制备方法，其特征在于，通过调节步骤a中所述bi(no3)3·5h2o的剂量来控制所述bi/n-cnss复合材料中bi的含量以及阵列结构的形成。
3.根据权利要求1所述的具有类...
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