CN108975288B - 一种NbSe2电极材料的制备方法及其产品和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NbSe2电极材料的制备方法及其产品和应用。本发明首先通过固相法制备得到NbSe2电极材料，经过湿法球磨以及高温烧结等操作制备得到，其操作简单、制备周期短、制备工艺成本低；制备得到的NbSe2电极材料具有独特的片状结构、并且形貌均一、电化学性能好，可以作为阴极材料应用于钾离子电池中，显示出容量高、循环性能好等优点，具有良好的市场应用前景。

Description

一种NbSe2电极材料的制备方法及其产品和应用
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种NbSe2电极材料的制备方法及其产品和应用。
背景技术
随着便携式电子设备的发展以及电动汽车的兴起，当今世界对锂离子电池的需求正在不断增大。但锂资源在地球上的储量非常的少，在地壳中的含量仅0.0065％，全球锂储量仅为 3978万吨，其中具有开采价值的仅为1350万吨。然而根据美国地质调查局2015年发布的数据，2014年全球锂产量约为36000吨，随着电动汽车的兴起这个数字仍然会不断地增加，按照这种开发速度，锂资源将远远满足不了将来人们对储能方面的需求，锂将会成为一种枯竭速度更快的资源。钾在地壳中的含量为2.64％，为锂在地壳中含量的400倍，相比之下，钾资源比锂资源丰富的多，这也就意味着钾离子电池的成本将会比锂离子电池低的多。在当前的市场形势下，钾被很多人认为在固定大型储能领域有极大的前景。。
目前层状过渡金属硫化物材料的独特性能喜迎了人们的注意。二硒化铌作为其中一员也具有他们的结构优势——弱的层间范德华力，强的分子间化合键。独特的结构有利于离子的嵌入与脱出，另外由于分子间强的共价键，还能提高材料的稳定性，有利于结构的保持，减少过渡族金属的损耗，因此有很高的库伦效率，有望成为新一代的电池材料。
作为一种新型钾离子电池电极材料，NbSe2电极材料的理论容量为72mAh/g(钾离子电池)，具有较大钾离子迁移通道，具有2.2V(VS.K+/K)的工作电压，以及稳定的循环性能，具有研究和开发的价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种NbSe2电极材料的制备方法；目的之二在于提供一种NbSe2电极材料；目的之三在于提供NbSe2电极材料在钾离子电池方面的应用。为实现上述目的，本发明具体提供了如下的技术方案：
1、一种NbSe2电极材料的制备方法，所述方法具体操作如下：首先将铌粉与硒粉按照摩尔比为1:2-2.1的比例混合均匀，加入到有机溶剂中，分散均匀，加入的有机溶剂的体积与铌粉与硒粉的总物质的量的比例为1:2.5-3.6，L:mol；其次将混合溶液放入球磨罐中，球磨8-12h 后取出；最后将球磨后的溶液倒入带盖瓷舟中，放入管式炉，在惰性气体保护下，以10℃/min 的升温速率升温至750℃，烧结1.5-2.5h后将管式炉降至室温，收集烧结得到的褐色粉末即NbSe2电极材料。
优选的，所述铌粉来源于金属铌粉、颗粒或块中的一种或多种经过研磨过筛后得到，所述过筛为首先将研磨得到的铌粉过5000目筛子，取筛下的铌粉。
优选的，所述硒粉来源于金属硒粉、颗粒或块中的一种或多种经过研磨过筛后得到，所述过筛为首先将研磨得到的铌粉过5000目筛子，取筛下的铌粉。
优选的，所述铌粉的粒径为：20nm-2μm，
优选的，所述硒粉的粒径为：20nm-2μm。
优选的，所述有机溶剂为乙醇或丙酮中的任意一种。
优选的，所述球磨在行星球磨机中进行。
优选的，所述球磨的速度为300-500r/min。
2、一种NbSe2电极材料的制备方法制备的NbSe2电极材料。
3、NbSe2电极材料作为阴极材料在钾离子电池中的应用。
本发明的有益效果在于：
1、本发明公开了一种NbSe2电极材料的制备方法，该制备方法操作简单、制备周期短、制备工艺成本低。
2、本发明公开了一种NbSe2电极材料，该电极材料具有独特的片状结构、形貌均一、容量高、循环性能好等优点。
3、同时本发明还公开了NbSe2电极材料作为阴极材料应用于钾离子电池中，具有容量高、循环性能好等优点。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1为NbSe2电极材料的XRD图；
图2为NbSe2电极材料的扫描电镜图；
图3为NbSe2电极材料的循环伏安曲线图；
图4为NbSe2电极材料的恒流充放电曲线；
图5为NbSe2电极材料的循环性能曲线图；
图6为NbSe2电极材料的倍率性能曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
首先将金属铌粉与金属硒粉分别研磨，研磨过筛后得到20nm-2μm的粉末，取铌粉与硒粉按照1:2的摩尔比混合均匀，加入到乙醇，分散均匀，加入的乙醇混合均匀形成混合溶液，加入的乙醇的体积与铌粉与硒粉的总物质的量的比例为1:2.5，L:mol；其次将混合溶液放入球磨罐中，设置球磨速度为300r/min，球磨8h后取出；最后将球磨后的溶液倒入带盖瓷舟中，放入管式炉中，在惰性气体保护下，以10℃/min的升温速率升温至750℃，烧结1.5h后将管式炉降至室温，收集烧结得到的褐色粉末即NbSe2电极材料。
实施例2
首先将金属铌颗粒与金属硒颗粒分别研磨，研磨过筛后得到20nm-2μm的粉末，取铌粉与硒粉按照摩尔比为1:2.05的比例混合均匀，加入到有机溶剂中，分散均匀，加入乙醇，加入的乙醇的体积与铌粉与硒粉的总物质的量的比例为1:3，L:mol；其次将混合溶液放入球磨罐中，设置球磨速度为400r/min，球磨10h后取出；最后将球磨后的溶液倒入带盖瓷舟中，放入管式炉中，在惰性气体保护下，以10℃/min的升温速率升温至750℃，烧结2h后将管式炉降至室温，收集烧结得到的褐色粉末即NbSe2电极材料。
实施例3
首先将金属铌块与金属硒块分别研磨，研磨过筛后得到20nm-2μm的粉末，取铌粉与硒粉按照摩尔比为1:2.1的比例混合均匀，加入到有机溶剂中，分散均匀，加入的乙醇，加入的乙醇的体积与铌粉与硒粉的总物质的量的比例为1:3.6，L:mol；其次将混合溶液放入球磨罐中，设置球磨速度为500r/min，球磨12h后取出；最后将球磨后的溶液倒入带盖瓷舟中，放入管式炉，在惰性气体保护下，以10℃/min的升温速率升温至750℃，烧结2.5h后将管式炉降至室温，收集烧结得到的褐色粉末即NbSe2电极材料。
NbSe2电极材料的表征：
由实施例制备得到的产物即NbSe2电极材料的XRD图如图1所示。由图1可知，本发明制备得到的产物在XRD中的特征峰与和文献卡片中NbSe2材料特征峰的位置一致，并且其它无杂峰，由此可以说明通过本发明的制备方法可以成功制备出NbSe2电极材料，并且制备得到的NbSe2电极材料纯净无杂质。
NbSe2电极材料的扫面电镜图如图2所示，从图2中可看出NbSe2电极材料的形貌均一，大小在微米级别，呈现特有的片状结构。
NbSe2电极材料在钾离子电池中的应用及其电化学性能测试：
取实施例制备得到的NbSe2电极材料、乙炔黑和PVDF粘结剂按照质量比为8:1:1的比例混合均匀，取适量的1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，在玛瑙研钵里研磨20分钟，得到黑色粘稠的电极浆料。取上述电极浆料均匀的涂在铝箔的一侧表面上，在120℃的温度条件下烘干12h后取出，然后用压片机将铝箔裁剪成直径为19mm的圆形片，即得到NbSe2电极材料的阴极极片。将制备好的NbSe2材料的阴极极片转移到手套箱里进行钾离子纽扣电池的组装，使用的纽扣电池型号为CR2032，隔膜型号为Celgard 2400，电解液为0.8M的KPF6溶液(溶剂为碳酸乙烯酯与碳酸二甲酯按体积比1:1组成的混合液)，阳极极片为金属钾片。组装完毕后，将电池钾离子纽扣电池移出手套箱，常温下静置24h后在Land测试系统上进行电化学性能的测试。
设置钾离子纽扣电池的测试电压范围为1～3V，进行恒流充放电测试，测试得到的恒流充放电曲线如图4所示。恒电流充放电法(又称计时电势法)是研究材料电化学性能中非常重要的方法之一，它的基本工作原理是:在恒流条件下对被测电极进行充放电操作，记录其电位随时间的变化规律，进而研究电极的充放电性能，计算其实际的比容量。在恒流条件下的充放电实验过程中，控制电流的电化学响应信号，当施加电流的控制信号，电位为测量的响应信号，主要研究电位随时间的函数变化的规律。从图4可以看出：NbSe2电极材料在50mAh g-1的电流密度下下容量接近70mAh g-1，所制得的NbSe2电极材料有一个非常明显的充放电平台，在2.2V左右。在钾离子电池中NbSe2电极材料电压平台明显且平缓，显示了良好的商业化价值。
对钾离子纽扣电池进行循环伏安法测试，得到的CV曲线如图3所示。循环伏安法(Cyclic Voltammetry)是一种常用的电化学研究方法，该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，并记录电流-电势曲线，根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度。从图3可以看出，但NbSe2电极材料作为钾离子阴极时具有良好的可逆性。
对钾离子纽扣电池进行循环性能测试，测试得到的循环曲线如图5所示。电池的循环性能能够反映电池的寿命，从图5的循环性能测试图可以看出，NbSe2电极材料作为阴极制备成钾离子纽扣电池时，经过50此循环，电池的容量衰减较慢，充放电效率依然保持在100％，因此说明NbSe2电极材料具有良好的循环性能，显示出良好的使用寿命。
对钾离子纽扣电池进行倍率性能测试，测试得到的倍率性能如图6所示。钾离子电池的倍率性能表示充放电所需时间的快慢，暗示钾离子迁移速率的大小和极化程度以及电极材料结构变化的大小。,测试结果图6显示：在25mA/g的电流下其充放电容量为大于60mAh/g，50mA/g的电流下其充放电容量为48mAh/g左右，100mA/g的电流下其充放电容量为45mAh/g 左右，200mA/g的电流下其充放电容量为40mAh/g左右，由此可以看出在大电流下NbSe2电极材料作为阴极制备成钾离子纽扣电池依然显示出较高的容量，因此可以证明NbSe2电极材料具有良好的倍率性能。同时电池渣各种不同的电流密度充放电后，仍能回复小电流的充放电性能，说明NbSe2电极材料拥有很好的可逆性。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1. NbSe2电极材料作为阴极材料在钾离子电池中的应用，其特征在于，所述NbSe2电极材料的制备方法具体操作如下：首先将铌粉与硒粉按照摩尔比为1:2-2.1的比例混合均匀，加入到有机溶剂中，分散均匀，加入的有机溶剂的体积与铌粉与硒粉的总物质的量的比例为1:2.5-3.6，L:mol；其次将混合溶液放入球磨罐中，球磨8-12h后取出；最后将球磨后的溶液倒入带盖瓷舟中，放入管式炉，在惰性气体保护下，以10℃/min的升温速率升温至750℃，烧结1.5-2.5h后将管式炉降至室温，收集烧结得到的褐色粉末即NbSe2电极材料；
所述铌粉的粒径为：20nm-2μm，所述硒粉的粒径为：20nm-2μm。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述铌粉来源于金属铌粉、颗粒或块中的一种或多种经过研磨过筛后得到。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述硒粉来源于金属硒粉、颗粒或块中的一种或多种经过研磨过筛后得到。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇或丙酮中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述球磨在行星球磨机中进行。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述球磨的速度为300-500r/min。
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