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本发明涉及一种复合钠离子电池阳极材料及其制备方法与应用,属于钠离子电池技术领域。制备方法包括以下步骤,S1、将聚丙烯腈和钛酸四丁酯溶于溶剂II,混匀得到壳层溶液;将多壁碳纳米管、苯乙烯 丙烯腈共聚物溶于溶剂III,混匀得到芯层溶液;对镓、硅和二氧化硅进行搅拌加热,后加入溶剂I进行超声处理得到镓 硅纳米颗粒,将镓 硅纳米颗粒加入到所述的芯层前驱体溶液中,得到中间层溶液;S2、利用同心异形通道喷嘴对三种溶液进行三轴静电纺丝得到复合薄膜;S3、对复合薄膜进行碳化得到复合钠离子电池阳极材料。本发明的复合钠离子电池阳极材料可以使电极具有高容量和优异的循环稳定性,延长电池的使用寿命,是自愈合自修复的电池阳极。

本发明提供了一种复合钠离子电池阳极材料及其制备方法与应用。制备的复合钠离子电池阳极材料不需要粘合剂就可以直接用作电池的阳极，复合钠离子电池阳极材料中的液态金属Ga颗粒可以在40℃条件下吸收电池的热量，增长电池的使用寿命。同时Si和TiO2/C可以增加电池的电导率，离子运输路径减少，利用静电纺和碳化直接生成CNFs，增强了表面的赝电容行为。本发明的第一个目的是提供一种复合钠离子电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤，S1、将聚丙烯腈和钛酸四丁酯溶于溶剂II，混匀得到壳层前驱体溶液；将多壁碳纳米管、苯乙烯-丙烯腈共聚物溶于溶剂III，混匀得到芯层前驱体溶液；对镓、硅和二氧化硅的混合物进行搅拌加热，后加入溶剂I进行超声处理得到镓-硅纳米颗粒，将所述的镓-硅纳米颗粒加入到所述的芯层前驱体溶液中，得到中间层前驱体溶液；S2、利用同心异形通道喷嘴对S1所述的壳层前驱体溶液、中间层前驱体溶液和芯层前驱体溶液进行三轴静电纺丝，得到复合薄膜；S3、在空气或惰性气氛中，对S2所述的复合薄膜进行碳化，得到所述的复合钠离子电池阳极材料；

本发明属于钠离子电池技术领域，尤其涉及一种复合钠离子电池阳极材料及其制备方法与应用。

背景技术

全球能源危机和环境污染是人类目前面临的两大难题，而能源转换和储存是实现可再生能源高效、环保利用的关键因素。可充放电电池已经成为实现这一目标的有力手段。钠由于资源丰富，因此制备钠离子电池nib具有低成本和高潜力。但是由于Nat固有的大离子半径导致电极材料在充放电过程中动力学缓慢，体积变化严重，因此循环和速率性能较差。而利用比表面积高、离子输运路径短、电子纵向转移快的纳米材料是提高钠离子电池性能的重要方式，静电纺是制备纳米材料中最快捷、方便、简单的方法。

利用静电纺丝来制备中空纤维是提高电池阳极的常见手段，并且三轴静电纺可以为Si体积膨胀时提供更大的空间，缓解Na+的体积膨胀，提高导电性。液态金属纳米颗粒的添加可以使得电池在工作时释放出的大量热量被纳米颗粒所吸收，延长电池的使用寿命。专利CN110416546A公开了一种三维自支撑氮掺杂碳钠离子负极材料，该材料可以直接用作电极，无粘结剂，但是没有足够的空间来缓解体积膨胀。专利CN102668194A公开了一种中空纳米碳纤维的用于可再充电锂电池的阳极活性材料前体和活性材料，能提高电池高容量密度，但是该材料在使用工程中易产生热量，影响电池使用。专利CN108246281A公开了一种碳纤维@二氧化钼纳米颗粒核壳复合结构及其制备方法，该纤维纯度高，结晶性好，但是电导率不高，电子转移不佳。专利CN111416159A公开了一种可调节输出电压电流大小和方向的新型液态金属电池，在室温下能稳定工作，但是体积大，携带不便，循环稳定性较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种复合钠离子电池阳极材料及其制备方法与应用。制备的复合钠离子电池阳极材料不需要粘合剂就可以直接用作电池的阳极，复合钠离子电池阳极材料中的液态金属Ga颗粒可以在40℃条件下吸收电池的热量，增长电池的使用寿命。同时Si和TiO2/C可以增加电池的电导率，离子运输路径减少，利用静电纺和碳化直接生成CNFs，增强了表面的赝电容行为。

发明人：刘宇清 郑敏烽 邢晓薇 方剑苏州大学坐落于素有“人间天堂”之称的历史文化名城苏州，是国家“211工程”“2011计划”首批入列高校，是教育部与江苏省人民政府共建“双一流”建设高校、国家航天局共建高校，是江苏省属重点综合性大学。苏州大学前身是Soochow University（东吴大学，1900年创办），开现代高等教育之先河，融中西文化之菁华，是中国最早以现代大学学科体系举办的大学。在中国高等教育史上，东吴大学是最早开展研究生教育并授予硕士学位、最先开展法学（英美法）专业教育，也是第一家创办学报的大学。1952年中国大陆院系调整，由东吴大学之文理学院、苏南文化教育学院、江南大学之数理系合并组建苏南师范学院，同年更名为江苏师范学院。1982年，学校更名苏州大学（Soochow University）。

本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的制备方法利用三轴静电纺丝制备纳米级的中空纤维有利于缓解体积膨胀，而三轴壳核结构的纤维使得Ga-Si纳米颗粒发生体积膨胀时，有足够的轴向空间。并且这种复合钠离子电池阳极薄膜材料无需辅助补剂或金属集流剂，即可简单合成独立式纤维阳极。N掺杂的碳纤维结构有利于构建三维的导电系统结构，增加了电极的比表面积，确保电子/离子快速转移。而且C-，N-掺杂的二氧化钛可以表现出显著的钠储存能力。利用同心异形通道喷嘴进行三轴静电纺，可以使得中空纤维在中心层形成镂空结构，在硅颗粒和液态金属颗粒发生体积膨胀时，在横向和纵向都有足够的空间容纳；而表层的碳纤维支撑内部体积变化，在钠离子嵌入或脱出过程中，纤维结构不会发生较大变化，循环性能良好；最内层的中空通道可以缓解钠插入/萃取引起的结构应变，延长电池使用寿命；同时方便电子流动，提高电化学性能。

(2)本发明所述的复合钠离子电池阳极材料中的Ga-Si纳米颗粒处于液态时具有自愈特性，使独立式电极具有高容量和优异的循环稳定性。Si粉可以改善镓在室温就进行液化的缺点，使镓基液态金属在40℃左右才进行液化。而SiO2与镓混合，有助于减少镓的大幅度过冷，更容易使镓恢复成固态，继续吸收热量，使得电池在工作时散发的热量能够及时被液态金属颗粒吸收，延长电池的使用寿命，获得自愈合自修复的电池阳极。

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