【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于新能源材料，具體涉及一種木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料及其制備方法和應用。
技術(shù)介紹
1、當今社會，化石能源因其不可再生性及其造成的環(huán)境問題嚴重影響社會的可持續(xù)發(fā)展，故人類對新能源材料的需求日益增強。二次儲能電池作為新能源材料的杰出代表，因其自身獨特的優(yōu)勢——成本低、能量密度大、循環(huán)壽命長等而被廣泛應用。鈉離子電池相較鋰離子電池具有原料儲量豐富、分布廣泛。成本低廉等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。但是由于na+半徑遠大于li+半徑，離子擴散動力學遲緩，且在充放電過程中造成的體積變化較大，從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，導致材料電化學性能的衰減。因此，制備出具有優(yōu)異結(jié)構(gòu)與電化學性能的鈉離子電池正極材料是當下最應解決的研究難點。
2、鈉超離子導體(nasicon)型聚陰離子磷酸鹽na4mnxv2-x(po4)3因具有三維框架結(jié)構(gòu)、快速離子擴散路徑、較高的電壓和能量密度以及高安全性，低成本的特點，而被公認為最有研究前景的鈉離子正極材料之一。但此類材料同時具有電導率低、嵌脫鈉過程體積變化較大等問題，因而限制了其實際應用。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料及其制備方法和應用，以木棉纖維為生物碳源和模板，利用其中空結(jié)構(gòu)吸附前驅(qū)體溶液，再通過氨氣的擴散作用，使錳釩基磷酸鹽均勻附載于木棉纖維管內(nèi)壁和/或外壁，所得復合材料電導率高，用作鈉離子電池正極活性材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性。
2、為
3、1)對木棉纖維進行親水化處理；
4、2)將鈉源、釩源、錳源、磷源、絡合劑加入水中混合均勻，得到均勻無沉淀的前驅(qū)體溶液；
5、3)將親水化處理后的木棉纖維加入前驅(qū)液溶液中浸泡，取出后放置在透氣的網(wǎng)狀材料上，使其充分暴露于氨氣中進行反應，反應結(jié)束后干燥、研磨，得到前軀體粉末；
6、4)將前驅(qū)體粉末在惰性氣氛下進行燒結(jié)處理，冷卻后研磨，得到木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料。
7、上述方案中，所述親水化處理為酸堿處理、碳化處理中的一種。
8、進一步地，所述酸堿處理的步驟包括：將木棉纖維先在氫氧化鈉溶液中浸泡，再在鹽酸中浸泡，取出后洗滌、干燥。
9、進一步地，所述氫氧化鈉溶液的濃度為0.5～1mol/l，浸泡時間為12～24h。
10、進一步地，所述鹽酸的濃度為0.5～1mol/l，浸泡時間為0.5～2h。
11、進一步地，所述碳化處理的步驟包括：將木棉纖維在惰性氣體的保護下加熱進行碳化，碳化溫度為350～550℃，保溫時間為2～6h。
12、上述方案中，所述鈉源為碳酸鈉、碳酸氫鈉、磷酸二氫鈉、醋酸鈉中的至少一種。
13、上述方案中，所述釩源為偏釩酸銨、氯化釩中的至少一種。
14、上述方案中，所述錳源為碳酸錳、乙酸錳、硝酸錳、草酸錳中的至少一種。
15、上述方案中，所述磷源為磷酸二氫銨、磷酸銨、磷酸二氫鈉、磷酸中的至少一種。
16、上述方案中，所述絡合劑為葡萄糖、淀粉、蔗糖、檸檬酸中的至少一種。
17、上述方案中，所述鈉源、釩源、錳源、磷源、絡合劑的物質(zhì)的量的比為4:x:(2～x):3:(1～4)，0＜x＜2。
18、上述方案中，步驟2)中，所述鈉源的物質(zhì)的量與水的體積比為0.01mol:(20～50)ml。
19、上述方案中，所述親水化處理后的木棉纖維的長度為1～5mm。
20、上述方案中，所述親水化處理后的木棉纖維的質(zhì)量與前驅(qū)液溶液中錳釩元素的總物質(zhì)的量的比為(0.05～1)g:0.01mol。
21、上述方案中，所述親水化處理后的木棉纖維在前驅(qū)液溶液中的浸泡時間為5～10min。
22、上述方案中，所述親水化處理后的木棉纖維與氨氣的反應時間為1～5min。
23、上述方案中，步驟3)中，所述干燥為兩段式干燥，首先加熱蒸發(fā)溶劑，再充分干燥。
24、進一步地，所述加熱蒸發(fā)的加熱溫度為80～85℃，加熱時間為2～6h。
25、進一步地，所述充分干燥的干燥溫度為120～150℃，干燥時間為2～4h。
26、上述方案中，所述前軀體粉末的粒徑為1～3μm。
27、上述方案中，所述惰性氣氛為氬氣、氮氣中的一種。
28、上述方案中，所述燒結(jié)處理的步驟包括：先升溫至350～400℃保溫2～6h，然后升溫至550～750℃保溫8～12h。
29、進一步地，升溫速度為2～5℃/min。
30、本專利技術(shù)還提供一種木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料，它是由上述方法制備得到的。
31、上述方案中，所述復合材料的化學式為na4mnxv2-x(po4)3/c，0＜x＜2。
32、上述方案中，所述復合材料的微觀形貌包括木棉纖維的中空管狀結(jié)構(gòu)和附載于中空管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁和/或外壁的錳釩基磷酸鹽片狀顆粒，其中片狀顆粒的直徑為200～500nm。
33、本專利技術(shù)還提供一種木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料在鈉離子電池中的應用，將其作為鈉離子電池的正極活性材料，制備鈉離子電池。
34、上述方案中，具體應用方法為：將復合材料與導電劑和粘結(jié)劑混合漿化，涂覆在鋁箔集流體上，干燥后作為鈉離子電池正極，與鈉離子電池負極、隔膜、電解液一起組裝成鈉離子電池。
35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果為：
36、本專利技術(shù)充分利用天然生物質(zhì)材料木棉纖維，其原料豐富，價格低廉，環(huán)境友好，將其作為生物碳源和模板，利用其特有的中空管狀結(jié)構(gòu)吸附前驅(qū)體溶液，再通過氨氣的擴散作用，使錳釩基磷酸鹽均勻沉淀附載于木棉纖維內(nèi)壁和/或外壁，減少顆粒的團聚，制備出具有特定形態(tài)且顆粒分布均勻的復合材料；該復合材料用作鈉離子電池正極活性材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性，一方面通過碳元素遺傳，在錳釩基磷酸鹽中引入合成生物遺態(tài)碳材料，增加材料的導電性，另一方面木棉纖維的管狀結(jié)構(gòu)在碳化之后得以較好的保持，可以縮短離子擴散路徑，為電解液的快速傳輸提供了通道，并有效緩解正極材料在嵌/脫鈉時產(chǎn)生的體積變化，增強與鈉離子的相互作用，提升鈉離子電池的可逆比容量。
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1.一種木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，所述親水化處理為酸堿處理，步驟包括：將木棉纖維先在氫氧化鈉溶液中浸泡，再在鹽酸中浸泡，取出后洗滌、干燥；所述氫氧化鈉溶液的濃度為0.5～1mol/L，浸泡時間為12～24h；所述鹽酸的濃度為0.5～1mol/L，浸泡時間為0.5～2h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，所述親水化處理為碳化處理，步驟包括：將木棉纖維在惰性氣體的保護下加熱進行碳化，碳化溫度為350～550℃，保溫時間為2～6h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，步驟2)中，所述鈉源、釩源、錳源、磷源、絡合劑的物質(zhì)的量的比為4:x:(2～x):3:(1～4)，0＜x＜2，所述鈉源的物質(zhì)的量與水的體積比為0.01mol:(20～50)mL。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，步驟3)中，所述干燥為兩段式干燥，首先加熱蒸發(fā)溶劑，再充分干燥；所述加熱蒸發(fā)的加熱溫度為80～85℃，加熱時間為2～6h；所述充分干燥的干燥溫度為120～150℃，干燥時間為2～4h；所述前軀體粉末的粒徑為1～3μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)處理的步驟包括：先升溫至350～400℃保溫2～6h，然后升溫至550～750℃保溫8～12h；升溫速度為2～5℃/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，所述鈉源為碳酸鈉、碳酸氫鈉、磷酸二氫鈉、醋酸鈉中的至少一種；所述釩源為偏釩酸銨、氯化釩中的至少一種；所述錳源為碳酸錳、乙酸錳、硝酸錳、草酸錳中的至少一種；所述磷源為磷酸二氫銨、磷酸銨、磷酸二氫鈉、磷酸中的至少一種；所述絡合劑為葡萄糖、淀粉、蔗糖、檸檬酸中的至少一種。
9.一種由權(quán)利要求1～8中任一項所述的方法制備得到的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料，其特征在于，所述復合材料的化學式為Na4MnxV2-x(PO4)3/C，0＜x＜2，其微觀形貌包括木棉纖維的中空管狀結(jié)構(gòu)和附載于中空管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁和/或外壁的錳釩基磷酸鹽片狀顆粒，其中片狀顆粒的直徑為200～500nm。
10.一種如權(quán)利要求9所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料在鈉離子電池中的應用。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，所述親水化處理為酸堿處理，步驟包括：將木棉纖維先在氫氧化鈉溶液中浸泡，再在鹽酸中浸泡，取出后洗滌、干燥；所述氫氧化鈉溶液的濃度為0.5～1mol/l，浸泡時間為12～24h；所述鹽酸的濃度為0.5～1mol/l，浸泡時間為0.5～2h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，所述親水化處理為碳化處理，步驟包括：將木棉纖維在惰性氣體的保護下加熱進行碳化，碳化溫度為350～550℃，保溫時間為2～6h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，步驟2)中，所述鈉源、釩源、錳源、磷源、絡合劑的物質(zhì)的量的比為4:x:(2～x):3:(1～4)，0＜x＜2，所述鈉源的物質(zhì)的量與水的體積比為0.01mol:(20～50)ml。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木棉纖維附載錳釩基磷酸鹽復合材料的制備方法，其特征在于，所述親水化處理后的木棉纖維的長度為1～5mm；所述親水化處理后的木棉纖維的質(zhì)量與前驅(qū)液溶液中錳釩元素的總物質(zhì)的量的比為(0.05～1)g:0.01mol；所述親水化處理后的木棉纖維在前驅(qū)液溶液中的浸泡時間為5～10min；所述親水化處理后的木棉纖維與氨氣的反應時間為1～5min。
6.根...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：胡樸，程雪娟，陳常蓮，王小敏，商超群，
申請(專利權(quán))人：武漢工程大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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