一种生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和作为钠离子电池正极材料的应用，通过水热处理制得前驱体，而后通过高温热处理8‑10小时后得到生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料，该复合材料负载的磷酸钒钠为空心类球状，具有较大的比表面积，为电化学反应提供更多的反应活性位点。同时，由膨化大米碳化后得到的生物碳基质提高了复合材料的电子传输速率，从而加快该复合材料的反应动力学，非常适合作为钠离子电池正极材料。本发明专利技术的材料在实现高放电比容量的同时，获得具有优异的倍率性能和循环稳定性，在移动设备、电动汽车、大规模储能等领域具有广阔的发展前景。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及钠离子电池的正极材料领域，具体涉及一种生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
二十世纪以来，随着世界石油资源的日益消耗和环境污染的不断加剧，绿色、清洁的二次电池越来越受到人们的关注。近年来，在众多电化学储能系统中，钠离子电池在此时走进人们的视野。首先，钠是地球上的第四大元素，在地壳储量的储量丰富。其次，钠源成本低廉，最后钠和锂具有相似的化学性质，锂离子电池中的理论可以应用于钠离子电池上。对于钠离子电池，正负极材料是影响其性能的主要因素，而在钠离子电池的成本构成之中，正极材料所占比重最高(约占电池成本的30～40％)，是制约钠离子电池发展的关键，也在很大程度上决定着电池品质。因此，对钠离子电池正极材料的研究尤为迫切。而在众多的钠离子电池正极材料中，快离子导体型Na3V2(PO4)3正极具有三维导电网络，较高的电压平台(约3.4V)和理论比容量(约117mAhg-1)和良好的循环稳定性等优点，使其在储能领域极具应用潜力。但是，Na3V2(PO4)3的电子导电率较差，在充放电过程中，容量衰减明显。因此，将Na3V2(PO4)3材料进行改性研究有助于提高其电化学性能。经研究，将活性材料与导电碳材料复合是最为有效的改性策略，因此,生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料可用于钠离子电池正极材料，有效提高材料导电性，获得较高的比容量和优异的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对磷酸钒钠电子导电性差的缺陷，提供了一种生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料及其制备方法和作为钠离子电池正极材料的应用，通过该方法制得的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料用作钠离子电池正极材料，兼具有高充放电容量、倍率性能和循环稳定性。本专利技术所述的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将膨化大米置于瓷舟中，放入管式炉中氩气氛围下进行热处理使之碳化，热处理的反应温度为500℃～700℃，反应时间为1～5小时，冷却至环境温度，得到生物质碳材料；(2)将五氧化二钒和磷酸二氢钠溶于水中，环境温度搅拌均匀形成混合溶液，然后将草酸溶于该混合溶液，持续搅拌，得到待用溶液；(3)将步骤(1)制备的生物质碳材料浸泡在步骤(2)得到的待用溶液中，使之充分浸润，然后加入到聚四氟乙烯高压釜中，密封并加热，得到前驱体；(4)将步骤(3)制得的前驱体洗涤烘干后，放入管式炉中在氩气氛围下进行高温热处理，反应温度为700-900℃，反应时间为6-12小时，冷却至环境温度，得到目标产物生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料。步骤(1)中，所述的热处理的条件为：反应温度为550℃～650℃，反应时间为1.5～3小时，进一步优选，反应温度为600℃，反应时间为2小时。步骤(2)中，所述的五氧化二钒、磷酸二氢钠和草酸的质量比为0.3～0.8：0.72～1.44：0.6～4，进一步优选，为0.364～0.728：0.72～1.44：0.756～3.78。所述的五氧化二钒的质量与水的体积之比为0.3～0.8g：40mL～80mL；进一步优选为0.364～0.728g：50mL～70mL；更进一步优选0.364～0.728g：60mL。步骤(3)中，所述的加热的温度为160℃～200℃，时间为12～26小时，进一步优选，所述的加热的温度为170℃～190℃，时间为18～22小时，所述的加热的温度为180℃，时间为20小时。步骤(4)中，高温热处理的反应温度为750-850℃，反应时间为8-10小时，步骤(1)、(2)和(4)中，所述的环境温度为10～40℃，进一步优选，所述的环境温度为20～30℃。所述的生物质碳由膨化大米碳化而来，受到日常生活中常见的爆米花制备过程的启发，通过对大米进行膨化处理，碳化后得到具有独特的蜂窝状大孔的生物碳基质，相较与其他方法如模板法，微流体法，乳液聚合法等制备的碳材料，膨化处理高效，步骤简单可行，碳化后所得的大米具有极好的一致性，大孔隙度，高比表面积和优异的电子导电性，大大增加了电化学反应的有效面积。所述的生物质碳上负载的磷酸钒钠为空心类球状，尺寸约5-10μm。本专利技术制备的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料，所负载的磷酸钒钠为空心类球状，具有较大的比表面积，为电化学反应提供更多的反应活性位点。同时，由膨化大米碳化后得到的生物碳基质提高了复合材料的电子传输速率，从而加快该复合材料的反应动力学，非常适合作为钠离子电池正极材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术方法通过水热法来制备生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料前驱体，再通过高温热处理获得目标产物钠离子电池生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料。该制备方法简单可行，便于控制。本专利技术制备的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料，所负载的磷酸钒钠为空心类球状，具有较大的比表面积，为电化学反应提供更多的反应活性位点。同时，由膨化大米碳化后得到的生物碳基质提高了复合材料的电子传输速率，从而加快该复合材料的反应动力学。本专利技术中，有效提高了磷酸钒钠复合材料的电子电导率差，从而在实现高放电比容量的同时，获得具有优异的倍率性能和循环稳定性的新型钠离子电池正极材料。在移动设备、电动汽车、大规模储能等领域具有广阔的应用前景。附图说明图1为实施例1中制得的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料的扫描电镜图；图2为实施例2中制得的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料的扫描电镜图；图3为实施例3中制得的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料的扫描电镜图。具体实施方式下面结合实施例来详细说明本专利技术，但本专利技术并不仅限于此。实施例1称取适量膨化大米置于瓷舟中，放入管式炉中氩气氛围下进行热处理使之碳化，反应温度为600℃，反应时间为2小时，缓慢冷却至室温25℃，得到生物质碳材料；将0.364g五氧化二钒和0.72g磷酸二氢钠置于烧杯中，加入60mL的去离子水，室温搅拌均匀形成混合溶液，然后称取0.756g草酸溶于上述溶液，持续搅拌一段时间，所得溶液待用；将制备的适量的生物质碳浸泡在所得到的混合溶液中，使之充分浸润，然后加入到聚四氟乙烯高压釜中，密封并加热，温度为180℃，时间为20小时，反应后冷却至室温25℃，得到前驱体；将制得的前驱体洗涤烘干后，放入管式炉中在氩气氛围下进行高温热处理，反应温度为800℃，反应时间为10小时，冷却至室温25℃，得到目标产物生物质炭/磷酸钒钠复合电极材料。实施例1中制得的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料的扫描电镜图如图1所示。实施例2称取适量膨化大米置于瓷舟中，放入管式炉中氩气氛围下进行热处理使之碳化，反应温度为600℃，反应时间为2小时，缓慢冷却至室温25℃，得到生物质碳材料；将0.546g五氧化二钒和1.08g磷酸二氢钠置于烧杯中，加入60mL的去离子水，室温搅拌均匀形成混合溶液，然后称取1.134g草酸溶于上述溶液，持续搅拌一段时间，所得溶液待用；将制备的适量的生物质碳浸泡在所得到的混合溶液中，使之充分浸润，然后加入到聚四氟乙烯高压釜中，密封并加热，温度为180℃，时间为20小时，反应后冷却至室温25℃，得到前驱体；将制得的前驱体洗涤烘干后，放入管式炉中在氩气氛围下进行高温热处理，反应温度为800℃，反应时间为10小时，冷却至室温25℃，得到目标产物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将膨化大米置于瓷舟中，放入管式炉中氩气氛围下进行热处理使之碳化，热处理的反应温度为500℃～700℃，反应时间为1～5小时，冷却至环境温度，得到生物质碳材料；(2)将五氧化二钒和磷酸二氢钠溶于水中，环境温度搅拌均匀形成混合溶液，然后将草酸溶于该混合溶液，持续搅拌，得到待用溶液；(3)将步骤(1)制备的生物质碳材料浸泡在步骤(2)得到的待用溶液中，使之充分浸润，然后加入到聚四氟乙烯高压釜中，密封并加热，得到前驱体；(4)将步骤(3)制得的前驱体洗涤烘干后，放入管式炉中在氩气氛围下进行高温热处理，反应温度为700‑900℃，反应时间为6‑12小时，冷却至环境温度，得到目标产物生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将膨化大米置于瓷舟中，放入管式炉中氩气氛围下进行热处理使之碳化，热处理的反应温度为500℃～700℃，反应时间为1～5小时，冷却至环境温度，得到生物质碳材料；(2)将五氧化二钒和磷酸二氢钠溶于水中，环境温度搅拌均匀形成混合溶液，然后将草酸溶于该混合溶液，持续搅拌，得到待用溶液；(3)将步骤(1)制备的生物质碳材料浸泡在步骤(2)得到的待用溶液中，使之充分浸润，然后加入到聚四氟乙烯高压釜中，密封并加热，得到前驱体；(4)将步骤(3)制得的前驱体洗涤烘干后，放入管式炉中在氩气氛围下进行高温热处理，反应温度为700-900℃，反应时间为6-12小时，冷却至环境温度，得到目标产物生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料。2.根据权利要求1所述的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的热处理的条件为：反应温度为550℃～650℃，反应时间为1.5～3小时。3.根据权利要求1所述的生物质碳/磷酸钒钠复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的五氧化二钒、磷酸二氢钠和草酸的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏新辉，黎维，王秀丽，涂江平，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33