一种采用2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的锂离子电池

摘要

本发明公开一种采用2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的锂离子电池，将有机胺TBAOH插层HNb3O8、剥离制备的Nb3O8‑(TBA+)纳米片胶体悬浮液和经典Hummer法制备的石墨烯氧化物纳米片GO溶胶为主要原料，以一定的GO比例混合、调pH，经一步水热得到HNb3O8/RGO复合物；将HNb3O8/RGO复合材料、聚偏氟乙烯和乙炔黑混合研磨均匀涂在铜箔上，干燥后作为负极，将金属锂作为参比电极和对电极，将LiClO4/EC‑DMC溶液作为电解质，在手套箱中组装制成锂离子电池。此方法简单，成本廉价，能耗低，重现性好，锂离子电池具有提高的比容量和超高循环稳定性，以及优异的倍率放电性能。

权利要求

1.一种采用2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的锂离子电池，其特征在于：将HNb3O8/RGO复合材料、聚偏氟乙烯和乙炔黑混合研磨均匀涂在铜箔上，待干燥后作为负极，将金属锂作为参比电极和对电极，将LiClO4/EC-DMC溶液作为电解质，在手套箱中组装制成所述锂离子电池；

HNb3O8/RGO复合材料的制备方法是：有机胺TBAOH插层HNb3O8、剥离制备的Nb3O8-(TBA+)纳米片胶体悬浮液和经典Hummer法制备的石墨烯氧化物纳米片(GO)溶胶为主要原料，以一定的GO质量百分数比例混合、搅拌均匀得混合溶液，盐酸调节pH后，经一步水热得到HNb3O8/RGO复合物；

所述GO质量百分数分别为1％-5％；

所述混合溶液用6M盐酸调节pH，pH＝1.0；

所述一步水热条件为：温度为180℃、24h；

所述一步水热后，离心并且用1M稀盐酸、去离子水和乙醇清洗多遍，然后在40℃真空烘箱中保持10h烘干产品，然后研磨成粉末状，即可得HNb3O8/RGO复合物。

2.如权利要求1所述的一种采用2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的锂离子电池，其特征在于：所述HNb3O8/RGO复合材料、聚偏氟乙烯和乙炔黑的质量比为7:2:1。

3.如权利要求1所述的一种采用2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的锂离子电池，其特征在于：所述LiClO4/EC-DMC溶液的浓度为1mol/L，其中EC与DMC的体积比为1:1。

说明书

一种采用2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的锂离子电池

技术领域

[0001] 本发明属于能源技术领域，具体涉及一种采用2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的锂离子电池。

背景技术

[0002] 随着社会的发展，简便、高能密度、寿命长、安全的锂离子电池已经成为当今人类追求的理想能源存储装置。基于锂离子电池储能的基本原理，设计和开发锂离子电池材料是提高当前锂离子电池性能的重要手段。近来，铌基金属氧化物如Nb2O5由于具有出色的稳定性、合适的工作电压平台（1.0 2.0 V vs. Li+/Li）和较高的理论电容（200 mAh g-1）在锂~离子电池领域具有广泛的应用前景。层状的HNb3O8是一类典型由[NbO6]八面体通过共边或共角组成无限延伸的二维Nb3O8-平板并且Nb3O8-平板通过板间H+连接垂直堆积而成。然而，传统的体相HNb3O8由于比表面积小、较大的锂离子传递路径和差的电导率限制了Li+的传输效率，最终导致该类锂电电极材料的电池容量及其稳定性差。因此，提高HNb3O8电极材料中+
Li的迁移速率关键在于合理的设计电极材料的组成和结构。

发明内容

[0003] 针对传统体相HNb3O8比表面积小、锂离子传输路径长和差的电导率而造成的锂离子存储性能差的技术问题，本发明提供了一种采用2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的锂离子电池。

[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种采用2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的锂离子电池，将HNb3O8/RGO复合材料、聚偏氟乙烯和乙炔黑混合研磨均匀涂在铜箔上，待干燥后作为负极，将金属锂作为参比电极和对电极，将LiClO4/EC-DMC溶液作为电解质，在手套箱中组装制成所述锂离子电池；

[0006] HNb3O8/RGO复合材料的制备方法是：有机胺TBAOH插层HNb3O8、剥离制备的Nb3O8-(TBA+)纳米片胶体悬浮液和经典Hummer法制备的石墨烯氧化物纳米片（GO）溶胶为主要原料，以一定的GO质量百分数比例混合、搅拌均匀得混合溶液，盐酸调节pH后，经一步水热得到HNb3O8/RGO复合物。

[0007] 其中：所述GO质量百分数分别为1%-5%。

[0008] 所述混合溶液用6 M 盐酸调节pH， pH=1.0。

[0009] 所述一步水热条件为：温度为180 0C、24 h。

[0010] 所述HNb3O8/RGO复合材料、聚偏氟乙烯和乙炔黑的质量比为7:2:1。

[0011] 所述LiClO4/EC-DMC溶液的浓度为1mol/L，其中EC与DMC的体积比为1:1。

[0012] 所述一步水热后，离心并且用1 M稀盐酸、去离子水和乙醇清洗多遍，然后在40℃真空烘箱中保持10 h烘干产品，然后研磨成粉末状，即可得HNb3O8/RGO复合物。

[0013] 采用上述方法后，本发明不仅能有效地解决HNb3O8锂离子电池性能差的技术问题，其制备方法简单，成本廉价，能耗低，重现性好，所制得锂离子电池具有提高的比容量和超高循环稳定性，还表现出优异的倍率放电性能，具有广阔的商业前景。

附图说明

[0014] 图1是本发明实施例1制备的Nb3O8-(TBA+)纳米片（A）和GO（B）的透射电镜图（TEM）；

[0015] 图2是本发明实施例1制备的HNb3O8/RGO的扫描电镜图（SEM）；

[0016] 图3是本发明实施例1所制得的HNb3O8/RGO复合物、单纯的HNb3O8纳米片和层状HNb3O8组装成的锂离子电池在不同倍率下充放电的循环性能曲线；

[0017] 图4是本发明实施例1所制得的HNb3O8/RGO复合物组装成的锂离子电池在电流密度为1 Ag-1和10 Ag-1下的稳定性测试。

具体实施方式

[0018] 为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

[0019] 实施例1：

[0020] 一种2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的制备方法，25 mL有机胺TBAOH插层- +HNb3O8、剥离制备的Nb3O8 (TBA)纳米片胶体悬浮液（2.0 mg/mL）和1.0 mL经典Hummer法制备的石墨烯氧化物纳米片（GO）溶胶（1.0 mg/mL）为主要原料，（GO百分含量2.0 %）混合、搅拌均匀得混合溶液，调节pH=1.0后，经一步水热，180 0C、24 h，离心并且用1 M稀盐酸、去离子水和乙醇清洗多遍，然后在40 ℃真空烘箱中保持10 h烘干产品，然后研磨成粉末状，即可得HNb3O8/RGO复合物。

[0021] 将所得HNb3O8/RGO复合物用于组装锂离子电池，其组装方法包括：将HNb3O8/RGO、聚偏氟乙烯和乙炔黑按质量比为7:2:1混合研磨均匀后涂在铜箔上，待干燥作为负极，将金属锂作为参比电极和对电极，将1mol/L LiClO4/EC-DMC（1:1，v/v）溶液作为电解质，在手套箱中组装制成锂离子电池。

[0022] 本实施例组装的锂离子电池在电流密度为1 A/g时充放电循环1000圈，比容量为183.9 mAh/g；电流密度为10 A/g时其充放电循环3000圈，比容量为116.7 mAh/g，表明其循环稳定性良好。

[0023] 实施例2：

[0024] 一种2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的制备方法，25 mL有机胺TBAOH插层HNb3O8、剥离制备的Nb3O8-(TBA+)纳米片胶体悬浮液（2.0 mg/mL）和0.5 mL经典Hummer法制备的石墨烯氧化物纳米片（GO）溶胶（1.0 mg/mL）为主要原料，（GO百分含量1.0 %）混合、搅拌均匀得混合溶液，调节pH=1.0后，经一步水热，180 0C、24 h，离心并且用1 M稀盐酸、去离子水和乙醇清洗多遍，然后在40 ℃真空烘箱中保持10 h烘干产品，然后研磨成粉末状，即可得HNb3O8/RGO复合物。

[0025] 将所得HNb3O8/RGO复合物用于组装锂离子电池，其组装方法包括：将HNb3O8/RGO、聚偏氟乙烯和乙炔黑按质量比为7:2:1混合研磨均匀后涂在铜箔上，待干燥作为负极，将金属锂作为参比电极和对电极，将1mol/L LiClO4/EC-DMC（1:1，v/v）溶液作为电解质，在手套箱中组装制成锂离子电池。

[0026] 实施例3：

[0027] 一种2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的制备方法，25 mL有机胺TBAOH插层HNb3O8、剥离制备的Nb3O8-(TBA+)纳米片胶体悬浮液（2.0 mg/mL）和2.5 mL经典Hummer法制备的石墨烯氧化物纳米片（GO）溶胶（1.0 mg/mL）为主要原料，（GO百分含量5.0 %）混合、搅拌均匀得混合溶液，调节pH=1.0后，经一步水热，180 0C、24 h，离心并且用1 M稀盐酸、去离子水和乙醇清洗多遍，然后在40 ℃真空烘箱中保持10 h烘干产品，然后研磨成粉末状，即可得HNb3O8/RGO复合物。

[0028] 将所得HNb3O8/RGO复合物用于组装锂离子电池，其组装方法包括：将HNb3O8/RGO、聚偏氟乙烯和乙炔黑按质量比为7:2:1混合研磨均匀后涂在铜箔上，待干燥作为负极，将金属锂作为参比电极和对电极，将1mol/L LiClO4/EC-DMC（1:1，v/v）溶液作为电解质，在手套箱中组装制成锂离子电池。

[0029] 本发明的显著优点在于：

[0030] （1）本发明提供了一种2D/2D自组装复合材料HNb3O8/RGO的制备方法，该方法操作简单，成本低廉，能耗低，重现性好，具有良好的应用价值。

[0031] （2）以本发明方法制备的HNb3O8/RGO复合物做为锂离子电池的负极，组装得到的锂离子电池具有很高的比容量和超高的循环稳定性；电流密度为1 A/g时充放电循环1000圈，比容量为183.9 mAh/g；电流密度为10 A/g时其充放电循环3000圈，比容量为116.7 mAh/g，表明其循环稳定性良好。