本发明专利技术公开了一种钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池及其制备方法。本发明专利技术采用钒酸铋(BiVO4)材料为电池的负极，氢氧化镍材料为电池的正极，碱溶液为电解质溶液，电池的电压窗口为0.5～1.5V。所述的钒酸铋材料是在有机溶剂体系中，通过化学沉淀法、溶剂热法、以及化学沉淀法与溶剂热法结合的方法制备，所制备材料的比表面积为10～500m2/g；所制备的电池在电流密度为1A/g时比容量为201.9mAh/g，电池经过500次循环后电容量的保留率高达81％。本发明专利技术所制备的电池环境友好、库伦效率高、循环寿命长，是一种具有广阔应用前景的碱性二次化学电源。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学储能领域，特别涉及一种钒酸铋(BiVO4)/氢氧化镍二次碱性电池及其制备方法。
技术介绍
进入21世纪以来，环境资源问题凸显，人们需要做的不仅是节能减排，减少污染，还需要开发清洁绿色能源来减轻资源和环境的压力，因此高效的储能设备的研究也就十分迫切。近年来，便携式电子设备飞速发展，使得新型二次电池应满足体积小、质量轻、容量高、寿命长需求。提出新的电池概念，开发新的电极材料，研究新的电池体系是电池技术不断进步的动力源泉，更是储能领域研究的热点。采用氢氧化镍做正极的镍/镉电池、镍/铁电池、镍/氢电池、镍/锌电池等都是传统的二次碱性电池，但也都存在一些问题，比如，镍镉电池稳定耐用，但主要原材料组分镉的毒性大、成本高，污染环境；镍铁电池自放电率高，低温性能差；镍氢电池充电时间比镍镉电池长，自放电随温度增加而增大；镍锌电池的锌电极易形成枝晶导致寿命变差等。鉴于此，人们需要探索新的二次碱性电池。铋基化合物毒性小、成本低，在催化剂、气体传感器、电极材料、光学材料中均有研究应用。氢氧化铋、氧化铋、铁酸铋、钼酸铋、氧化铋等，或者它们与石墨烯、二氧化钛纳米管、聚苯胺、二氧化锰等的复合材料用作电极材料已有研究。Xia等[ECSTransactions28(2010):125]通过化学沉淀法制备了氧化铋纳米片用于电化学电容器，比容量为996Fg-1，经过1000次充放电循环后仅衰减了4.2％。Nie等[ElectrochimicaActa154(2015):30]通过简单水热反应制备硫化铋/石墨烯复合材料，并研究了电容性能。Liu等[JournalofTheElectrochemicalSociety159(2012):586]通过电化学沉积结合热处理的方式制备了高比表面积的钼酸铋纳米线并研究了其在超级电容器中的应用。Kang等[JournalofPowerSources195(2010):2023]研究了BiOF包覆的Li[Ni0.5Mn1.5]O4在可充电锂电池中的应用。专利技术专利[申请公布号CN103224251A]公开了“一种微波合成单斜晶系橄榄形钒酸铋BiVO4的制备方法”，该专利技术在回流条件下微波加热硝酸铋和偏钒酸铵的乙二醇溶液中，制备出了橄榄型钒酸铋材料。专利技术专利[授权公告号CN102557133B]公开了“一种采用微波水热法制备鱼刺状和木柴状BiVO4粉体的方法”，该专利技术将硝酸铋的硝酸溶液与偏钒酸铵的氢氧化钠溶液混匀得到前驱物，以NaOH调节pH值，再进行微波水热反应制备出鱼刺状和木柴状的单斜相与四方相共混的钒酸铋粉体。专利技术专利[申请公布号CN103145185A]公开了“一种超细钒酸铋的制作工艺”，该专利技术将硝酸铋水溶液与偏钒酸铵的水溶液雾化混合，以氨水调节pH值，常温下充分沉淀反应得到超细钒酸铋。目前还未见以钒酸铋为电极材料的二次碱性电池的相关报道。基于以上事实，本专利技术提出了一种新型的钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池及其制备方法。本专利技术的技术方案为：一种钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，以氢氧化镍材料为正极，钒酸铋材料为负极，碱性水溶液为电解质，电压窗口为0.5～1.5V。所述的氢氧化镍材料，包括按质量百分比计的如下组分：镍元素48～63％、钴元素0.5～12％、锌元素0.5～6.5％、铈元素0～8.5％、余量为氢、氧；氢氧化镍材料的松装密度为1.58～1.75g/cm3、振实密度为2.0～2.5g/cm3；其比表面积为5～100m2/g，材料的粒径为1～15μm。所述的钒酸铋材料，是在有机溶剂体系中，通过化学沉淀法、溶剂热法、以及化学沉淀法与溶剂热法结合的方法制备得到，其比表面积为10～500m2/g；其制备方法包括如下步骤：(1)将含铋原料溶于溶剂中，配制成浓度为0.01～5mol/L的铋离子溶液；将可溶性的钒酸盐溶于溶剂中，配成浓度为0.01～5mol/L的钒酸根离子溶液；(2)按铋与钒的摩尔比为(1:0.9)～(1:1.2)，将钒酸根离子溶液滴加到步骤(1)的铋离子溶液中，搅拌或超声混匀得到金黄色透明混合溶液，再在温度为5～50℃及搅拌条件下向混合溶液中滴加碱性有机溶液进行沉淀反应0.5～10h、控制终点pH值为5～12，反应完成后将沉淀分别用去离子水、无水乙醇依次洗涤并进行固液分离，将得到的固体物于60～150℃下干燥6～36h制备出钒酸铋材料；或者将上述金黄色透明混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，在100～250℃下进行溶剂热反应1～24h，再依次用去离子水、无水乙醇洗涤沉淀，并进行固液分离，于60～150℃下干燥6～36h得到钒酸铋材料；或者按铋与钒的摩尔比为(1:0.9)～(1:1.2)，将钒酸根离子溶液滴加到步骤(1)的铋离子溶液中，搅拌或超声混匀得到金黄色透明混合溶液，再在温度为5～50℃及搅拌条件下向混合溶液中滴加碱性有机溶液进行沉淀反应0.5～10h、控制终点pH值为5～12，得到反应混合物，再将此反应混合物转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，在100～250℃下进行溶剂热反应1～24h，再依次用去离子水、无水乙醇洗涤沉淀，并进行固液分离，于60～150℃下干燥6～36h得到钒酸铋材料。进一步地，所述的含铋原料包括金属铋、氧化铋、氢氧化铋、碳酸铋、碱式碳酸铋、硫酸氧铋、硝酸氧铋、硫酸铋、硝酸铋、卤化铋、乙酸铋中的一种或两种以上；对于不能直接溶于所述溶剂的含铋原料经过化学转化为可溶性的含铋化物。进一步地，所述的钒酸盐，包括可溶性的钒酸盐或偏钒酸盐。进一步地，所述的碱性有机溶液为碱性无机物溶于有机溶剂得到的溶液，或者有机碱溶液，碱的浓度为0.01～5mol/L；优选碱金属氢氧化物的一元醇或多元醇溶液，或三乙醇胺、乙二胺、三乙胺、正丁胺等溶液。进一步地，所述的溶剂，包括乙二醇、丙三醇中的一种或两种。上述的钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池的制备方法，包括如下步骤：(1)钒酸铋电极和氢氧化镍电极的制备钒酸铋电极：按钒酸铋材料70～95％、导电剂3～15％、粘结剂2～15％的质量百分比称量，首先将粘结剂溶于N-甲基-2-吡咯烷酮中，配成0.01～0.04g/ml的溶液，再将钒酸铋材料、导电剂加入到粘结剂溶液中，搅拌均匀至膏状，涂覆在集流体上，再将其置于干燥箱中80～150℃干燥5～36h，经辊压后裁成电极片，即得到钒酸铋电极片；氢氧化镍电极：按照氢氧化镍材料70～95％、导电剂3～15％、粘结剂2～15％的质量百分比称量备用，然后依次将粘结剂、导电剂、氢氧化镍材料混合均匀调成糊状涂抹于泡沫镍上，80～150℃干燥5～36h，辊压并裁剪后得到氢氧化镍电极片；(2)钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池的制备将氢氧化镍电极片、隔膜、钒酸铋电极片依次放入电池模具中构造成二电极的三明治结构，滴加碱性水溶液电解质后将模具紧固密封构造成电池。进一步地，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)中的一种或两种以上；所述的导电剂为乙炔黑、炭黑、石墨或石墨烯中的一种或两种以上；所述的集流体为钢网、泡沫镍、本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于：采用钒酸铋材料为负极，氢氧化镍材料为正极，碱溶液为电解质溶液，电池的电压窗口为0.5～1.5V。
【技术特征摘要】
1.一种钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于：采用钒酸铋材料为负极，氢氧化镍材料为正极，碱溶液为电解质溶液，电池的电压窗口为0.5～1.5V。2.根据权利要求1所述的钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于：所述的氢氧化镍材料，包括按质量百分比计的如下组分：镍元素48～63％、钴元素0.5～12％、锌元素0.5～6.5％、铈元素0～8.5％、余量为氢、氧；氢氧化镍材料的松装密度为1.58～1.75g/cm3、振实密度为2.0～2.5g/cm3；材料的比表面积为5～100m2/g、粒径为1～15μm。3.根据权利要求1或2所述的钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，所述的钒酸铋材料，是在有机溶剂体系中，通过化学沉淀法、溶剂热法、以及化学沉淀法与溶剂热法结合的方法制备得到，其比表面积为10～500m2/g；其制备方法包括如下步骤：(1)将含铋原料溶于溶剂中，配制成浓度为0.01～5mol/L的铋离子溶液；将可溶性的钒酸盐溶于溶剂中，配成浓度为0.01～5mol/L的钒酸根离子溶液；(2)按铋与钒的摩尔比为(1:0.9)～(1:1.2)，将钒酸根离子溶液滴加到步骤(1)的铋离子溶液中，搅拌或超声混匀得到金黄色透明混合溶液，再在温度为5～50℃及搅拌条件下向混合溶液中滴加碱性有机溶液进行沉淀反应0.5～10h、控制终点pH值为5～12，反应完成后将沉淀分别用去离子水、无水乙醇依次洗涤并进行固液分离，将得到的固体物于60～150℃下干燥6～36h制备出钒酸铋材料；或者将上述金黄色透明混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，在100～250℃下进行溶剂热反应1～24h，再依次用去离子水、无水乙醇洗涤沉淀，并进行固液分离，于60～150℃下干燥6～36h得到钒酸铋材料；或者按铋与钒的摩尔比为(1:0.9)～(1:1.2)，将钒酸根离子溶液滴加到步骤(1)的铋离子溶液中，搅拌或超声混匀得到金黄色透明混合溶液，再在温度为5～50℃及搅拌条件下向混合溶液中滴加碱性有机溶液进行沉淀反应0.5～10h、控制终点pH值为5～12，得到反应混合物，再将此反应混合物转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，在100～250℃下进行溶剂热反应1～24h，再依次用去离子水、无水乙醇洗涤沉淀，并进行固液分离，于60～150℃下干燥6～36h得到钒酸铋材料。4.根据权利要求3所述的钒酸铋/氢氧化镍二次碱性电池，其特征在于，所述的含铋原料包括金属铋、氧化铋、氢氧化铋...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘恩辉，王洛，蒋海霞，杨锃，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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