【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于鋅離子電池材料制備領域，涉及一系列釩基正極材料的制備方法和應用。
技術介紹
1、隨著鋰資源的供不應求和對電能存儲需求的不斷增長，對電化學儲能的追求也日益興起。水性鋅離子電池因其低成本、高安全性和高環境兼容性而備受關注。而v2o5具有雙電子氧化還原機制，有較高的理論比容量(589mah?g-1)，是潛力十分巨大的水系鋅離子電池的正極材料，引起了研究人員的廣泛關注。
2、然而鋅離子在v2o5正極材料之間擴散緩慢。鋅離子與正極材料之間過強的庫倫作用力導致鋅離子在材料晶格間擴散緩慢，從而表現出較差的實際比容量。同時，鋅離子的強庫倫作用使其在充放電過程中對正極材料的嵌入/脫出行為會使其體積頻繁變化會導致正極材料的結構迅速坍塌，導致材料循環穩定性不理想。目前，v2o5正極存在著晶格層間間距過小的問題，不利于離子之間的擴散過程，而且v2o5正極存在著導電性能差的問題，該問題導致了所組裝的電池倍率性能不夠理想[hu,p.,et?al.,porous?v2o5?microspheres:ahigh-capacity?cathode?material?for?aqueous?zinc–ionchemicalcommunications,2019]。
技術實現思路
1、針對現有技術存在的問題，本專利技術提供一種鋅離子電池釩基正極材料、制備方法與應用。本專利技術制備工藝簡單、普適，有助于改善正極材料的實際比容量和倍率性能。
2、為了達到上述目的，本專利技術采取的技術方
3、一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，所述方法通過金屬離子插層改變五氧化二釩的晶格層間距，改善鋅離子在五氧化二釩的嵌入脫、出行。其次，同時引入導電碳材料提升正極材料的導電性，制備出高容量、好倍率性能和循環穩定性的鋅離子電池正極材料。包括以下步驟：
4、第一步，室溫下，將金屬鹽加入去離子水和乙醇的混合溶液中，充分攪拌至完全溶解形成透明溶液。再加入h2o2水溶液(30wt.％)，攪拌充分后加入v2o5粉末攪拌至完全溶解，得到混合溶液a。該步驟中：v2o5粉末逐漸溶解，溶液顏色逐漸變為深褐色透明溶液。
5、第二步，室溫下，將導電炭材料加入到去離子水中，并在攪拌條件下加入表面活性劑中的一種或多種，并加入硫脲，充分混合后進行超聲處理，得到混合溶液b。該步驟中：超聲處理使導電炭材料均勻地分散在水溶液中，同時也使硫脲和表面活性劑完全溶解。
6、第三步，將混合溶液b加入到混合溶液a中，充分攪拌混合后將溶液加入到反應釜聚四氟乙烯內襯中，進行水熱反應，待反應釜冷卻至室溫后，進行離心洗滌、真空干燥。該步驟中：通過水熱反應的高溫高壓條件，使金屬離子摻雜的v2o5形成沉淀，并生長在導電碳材料表面。
7、第四步，將第三步得到的產物置于管式爐中進行高溫煅燒，得到目標產物。該步驟中：通過高溫煅燒使材料提升結構穩定性。
8、進一步的，通過調整金屬鹽的物質的量、h2o2水溶液的體積、表面活性劑(十二烷基硫酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨)和硫脲的質量、導電碳材料質量、水熱反應時間與溫度、高溫煅燒時間與溫度，最終得到適宜的正極材料。
9、進一步的，所述的第一步混合溶液a中金屬鹽的物質的量控制在0.5～2mmol之間，金屬鹽與v2o5的摩爾比為1:(1～4)。
10、進一步的，所述的第一步中，金屬鹽包括硫酸鹽、硝酸鹽、氯化鹽等多種常見金屬鹽中的一類或多類。金屬種類包括過渡金屬鎳、鋅、銅、錳、和鈷中的一種或多種。
11、進一步的，所述的第一步中，h2o2水溶液的體積為2～4ml之間。
12、進一步的，所述的第二步混合溶液b中，導電碳材料的質量控制在0.5～1.5g/l，表面活性劑的濃度控制在0.25～0.5g/l。硫脲的濃度控制在1～3g/l。
13、進一步的，所述的第二步中，攪拌時間控制在10～30min，超聲時間控制在0.5～1.5h。
14、進一步的，所述的第二步中，導電炭材料包括氧化石墨烯(go)、碳納米管(cnt)中的一種或兩種以上。表面活性劑為十二烷基硫酸鈉和十六烷基三甲基溴化銨中的一種或兩種以上。
15、進一步的，所述的第三步中，水熱反應的溫度為120～180℃，時間為6～24h。
16、進一步的，所述的第四步中，高溫煅燒的溫度為300～450℃，時間為2h。
17、一種鋅離子電池釩基正極材料，所述釩基正極材料是由上述水熱方法制備得到的，所述的釩基正極材料具有均勻的納米結構，具有較大比表面積。
18、一種鋅離子電池釩基正極材料的應用，將其應用于鋅離子電池中，作為正極材料。
19、與現有技術相比，本專利技術的有益效果如下：
20、(1)釩基正極材料，本專利技術通過在v2o5材料中引入客體元素，可有效調節v2o5的晶格層間距與電子特性，可以顯著提鋅離子在電極材料中的擴散動力學、改善正極材料循環過程中的體積變化，進而提升電極材料的實際比容量，提升循環穩定性，電極材料中的元素組成和微觀形貌是影響其實際比容量與循環壽命的關鍵因素。同時，導電碳材料的引入會使復合材料的導電性提升，改善電池的倍率性能。
21、(2)本專利技術制備工藝簡單、條件溫和、具有普適性，通過使用金屬離子插層和導電碳材料的引入改善v2o5正極材料，可有效改善材料的實際比容量和倍率性能。
22、(3)本專利技術通過控制添加劑的濃度、反應時間和溫度，控制所得正極材料的尺寸、形貌；得益于電級材料的形貌可調，且溶劑熱法操作簡單、設備要求低等優勢，在紐扣電池中展現出了較高的比容量，且該工藝方法簡單、成本低，適合大規模推廣與工業化生產。
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1.一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，所述方法通過金屬離子插層改變五氧化二釩的晶格層間距，改善鋅離子在五氧化二釩的嵌入脫、出行；其次，同時引入導電碳材料提升正極材料的導電性，制備出高容量、好倍率性能和循環穩定性的鋅離子電池正極材料。
2.根據權利要求1所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，通過調整金屬鹽的物質的量、H2O2水溶液的體積、表面活性劑和硫脲的質量、導電碳材料質量、水熱反應時間與溫度、高溫煅燒時間與溫度，得到適宜的正極材料。
4.根據權利要求2所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，所述的第一步混合溶液A中金屬鹽的物質的量控制在0.5～2mmol之間，金屬鹽與V2O5的摩爾比為1:(1～4)；所述的第一步中，金屬鹽包括硫酸鹽、硝酸鹽、氯化鹽中的一類或多類；金屬種類包括過渡金屬鎳、鋅、銅、錳、鈷中的一種或多種。
5.根據權利要求2所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，所
6.根據權利要求2所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，所述的第三步中，水熱反應的溫度為120～180℃，時間為6～24h。
7.根據權利要求2所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，所述的第四步中，高溫煅燒的溫度為300～450℃，時間為2h。
8.一種鋅離子電池釩基正極材料，其特征在于，所述釩基正極材料是由權利要求1-7任一所述的制備方法制備得到，所述的釩基正極材料具有均勻的納米結構。
9.一種權利要求9所述的鋅離子電池釩基正極材料的應用，其特征在于，將其應用于鋅離子電池中，作為正極材料。
...【技術特征摘要】
1.一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，所述方法通過金屬離子插層改變五氧化二釩的晶格層間距，改善鋅離子在五氧化二釩的嵌入脫、出行；其次，同時引入導電碳材料提升正極材料的導電性，制備出高容量、好倍率性能和循環穩定性的鋅離子電池正極材料。
2.根據權利要求1所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，通過調整金屬鹽的物質的量、h2o2水溶液的體積、表面活性劑和硫脲的質量、導電碳材料質量、水熱反應時間與溫度、高溫煅燒時間與溫度，得到適宜的正極材料。
4.根據權利要求2所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，其特征在于，所述的第一步混合溶液a中金屬鹽的物質的量控制在0.5～2mmol之間，金屬鹽與v2o5的摩爾比為1:(1～4)；所述的第一步中，金屬鹽包括硫酸鹽、硝酸鹽、氯化鹽中的一類或多類；金屬種類包括過渡金屬鎳、鋅、銅、錳、鈷中的一種或多種。
5.根據權利要求2所述的一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉安敏，薛森森，任雪峰，高立國，趙芳，花謙謙，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：
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