具有析出相/基体两相异质结构的铌酸钠锂粉体电极材料及其制备方法和应用

本发明涉及无机非金属陶瓷材料制备、太阳能利用及电化学，具体涉及一种具有析出相/基体两相异质结构的铌酸钠锂粉体电极材料及其制备方法和光辅助增容应用。

背景技术：

1、随着科学技术的发展与人类文明的进步，人类对于能源的需求急剧扩张。实际应用中，人们对能源的使用和需求往往是间歇式的，因此亟待开发新型高性能、高储能密度、高功率密度的储能体系。目前常见的储能体系主要分为电介质电容器和超级电容器，其中超级电容器具有适中的储能密度与功率密度，成为科研人员寻找高性能的储能体系载体的主要研究对象。

2、析出相是一种三维体缺陷，常见于合金体系，主要用于强化合金的力学性能，在无机非金属陶瓷材料中鲜有提及。固溶-析出是指针对固溶度-温度关系为正相关的材料体系，当升高温度超过固溶度温度时，所有溶质能够完全固溶到基体中；随后进行的淬火处理快速将固溶体冷却至固溶温度以下，使得溶质原子来不及析出，从而形成过饱和固溶体；最后在低于固溶温度进行长期时效，使得过饱和固溶体分解，伴随此过程，析出相在基体中缓慢形核、生长。过饱和固溶体分解的最终产物一般包含基体相与析出相两相。研究表明li在nanbo3中的固溶度最高可达30 %（摩尔百分比），且其固溶度随温度升高变大，具有固溶度-温度正相关特性，从而为在铌酸钠锂无机非金属陶瓷材料中引入析出相和析出相/基体异质结构提供了理论指导基础。

3、光辅助增容是近些年兴起的一种能有效提高超级电容器储能能力的技术，同时也可以有效促进对于太阳能的利用效率。其要求电极材料在光照条件下能产生足量的光生载流子，且光生载流子能够参与到电化学储能的氧化还原反应中，从而达到光辅助增容的作用。将具有析出相/基体两相异质结构的无机非金属陶瓷电极材料与光辅助增容技术进行耦合，既能拓宽析出相在无机非金属陶瓷材料的功能化应用范围，又能用于发展新型高效的超级电容器，具有十分可观的研究应用潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有析出相/基体两相异质结构的铌酸钠锂粉体电极材料及其制备方法与光辅助增容应用，该粉体电极材料通过高能球磨-煅烧处理-烧结处理-固溶处理-淬火处理-时效处理的多步固相反应制备获得。使用制得的粉体材料制备的电极，在全光光照条件下展示出了显著增加的电容性能，解决了在无机非金属陶瓷粉体电极材料中难以大规模获得析出相及析出相/基体异质结构，以及难以调节优化电极材料的能带结构以实现充分利用太阳能增加电容的难题，可应用于新型电容器与对太阳能的高效利用。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种具有析出相/基体两相异质结的铌酸钠锂粉体电极材料，包括基体相及在基体相中均匀分布的析出相，基体相为nanbo3相，析出相为linbo3相。

4、所述基体相的空间群为 pmc2 1，析出相的空间群为 r3c；所述析出相与基体相的质量比例为（0.2~2）：9。

5、所述析出相的形成方式为纯相linbo3析出相（ r3c）从含li的nanbo3基体固溶体中析出，linbo3析出相为近球状形貌，尺寸为1~1000 nm；nanbo3相为近球状形貌，尺寸为1~5000 nm。

6、所述具有析出相/基体两相异质结的铌酸钠锂粉体电极材料经由多步固相反应制得，其制备方法具体包括如下步骤：

7、（1）第一次高能球磨：按比例称取制备铌酸钠锂电极材料所需的原料碳酸钠、碳酸锂和五氧化二铌，将各原料置于干燥箱中烘干，随后移入高能球磨罐中，添加适量无水乙醇与玛瑙球进行球磨，球磨后得到混合物料ⅰ；

8、（2）煅烧处理：将步骤（1）中得到的混合物料ⅰ先置于干燥箱中在60 ℃烘干，再移入马弗炉进行煅烧；

9、（3）第二次高能球磨：将步骤（2）煅烧后所得产物移入高能球磨罐，添加适量无水乙醇和玛瑙球进行球磨，球磨后得到混合物料ⅱ；

10、（4）烧结处理：将步骤（3）得到的混合物料ⅱ置于干燥箱中在60 ℃烘干后，移入于管式炉中进行成瓷烧结处理，烧结温度为1100~1400 ℃，时间为1~4 h，升温速率为1~10℃/min；

11、（5）固溶处理：将步骤（4）烧结后所得样品研磨后移入管式炉中进行固溶处理，固溶温度为1100~1400 ℃，时间为1~4 h，升温速率为1~10 ℃/min；

12、（6）淬火处理：将步骤（5）固溶处理后的样品，直接移入去离子水中进行水浴淬火处理，水浴温度为室温；

13、（7）第三次高能球磨：将步骤（6）得到的样品置于干燥箱中在60 ℃烘干后，移入高能球磨罐，添加适量无水乙醇和玛瑙球进行球磨；

14、（8）时效处理：将步骤（7）球磨后得到的样品，移入马弗炉中进行时效处理，时效处理后即得到所述具有析出相/基体两相异质结的铌酸钠锂粉体电极材料。

15、上述步骤（1）中，步骤（1）中，所述碳酸钠、碳酸锂和五氧化二铌的摩尔比例为1：（0.1~0.3）：（1-1.5）。

16、上述步骤（1）、步骤（3）和步骤（7）球磨过程中，球磨转速250 r/min，球磨时间12h。

17、上述步骤（2）中，煅烧温度为700~900 ℃，煅烧时间为1~4 h，升温速率为1~10 ℃/min。

18、上述步骤（8）中，时效温度为500~800 ℃，时效时间为8~16 h，升温速率为5 ℃/min。

19、所述具有析出相/基体两相异质结的铌酸钠锂粉体电极材料应用于电极制备，所制备电极在全光光照条件下展示出了显著增加的电容性能，可应用于新型电容器。

20、具体地，在无光条件下，使用该具有析出相/基体两相异质结构的铌酸钠锂粉体电极材料的电极电容在1 mv/s的扫描速度下为15.49 f/g，在200 mv/s的扫描速度下为4.28f/g；在全光光照条件下，使用该电极材料制备的电极电容在1 mv/s的扫描速度下为56.16f/g，在200 mv/s的扫描速度下为4.84 f/g；即通过光辅助的手段，采用该具有析出相/基体两相异质结的铌酸钠锂粉体电极材料制备的电极的电容性能得到显著提升，增幅为260%（1mv/s）与13%（200 mv/s）。

21、本发明的优点在于：

22、1. 本发明通过固溶处理-淬火处理-时效析出的技术手段，制备了具有linbo3析出相/nanbo3基体两相异质结的铌酸钠锂粉体电极材料，解决了在无机非金属陶瓷粉体电极材料中难以大规模获得析出相及析出相/基体异质结构的难题；

23、2. 本发明通过在电极材料中构建两相异质结，提升了材料对太阳能的利用率，光生载流子得到更有效分离，从而更多地并参与到充放电的电化学氧化还原反应中，从而实现了对该电极材料的光辅助增容目的；

24、3. 本发明采用的技术手段在不改变超级电容器本身设计的条件下，实现了电极电容性能的提升，使用的方法具有灵活性和普适性，可以被用于其他光辅助增容电极材料体系。