钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高倍率的钒氧化物/碳纳米柔性管薄膜及其制备方法和应用，其由钒氧化物纳米带、钒氧化物纳米卷和碳纳米管层层堆叠而成，其中薄膜厚度为40～160微米，钒氧化物纳米带厚度为6～10纳米，钒氧化物纳米卷由钒氧化物纳米带卷曲而成，直径为0.3～1微米，长度为0.8～2微米，碳纳米管外径为8～15纳米，长度为45～50微米。本发明专利技术的有益效果是：通过一步水热法成功合成了柔性钒氧化物/碳纳米管复合材料，并利用简单抽滤的方法，制备得到厚度可控的自支撑钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜电极材料。作为锂离子电池正极活性材料时，该柔性薄膜电极表现出优异的循环稳定性与高倍率特性。

Vanadium oxide / carbon nanotube flexible film, preparation method and application thereof

The invention relates to a high rate of vanadium oxide / carbon nano tube flexible film and preparation method and application thereof, which is composed of vanadium oxide nanobelts, vanadium oxide and carbon nanotube volume stacked layers, wherein the film thickness is 40 to 160 microns, vanadium oxide with a thickness of 6 to 10 nm, vanadium oxide nano vanadium oxide nanobelts by coil curl, a diameter of 0.3 to 1 microns, the length is 0.8 to 2 microns, the carbon nanotube diameter is 8 to 15 nanometers, the length is 45 to 50 microns. The beneficial effect of the invention is: through a one-step hydrothermal method successfully synthesized flexible vanadium oxide / carbon nanotube composite material, and using the method of simple filtration, prepared by self supported vanadium oxide / carbon nanotube material thickness controllable flexible thin film electrode. As a cathode material for lithium ion batteries, the flexible film electrode exhibits excellent cycle stability and high rate characteristics.

【技术实现步骤摘要】
钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料与电化学
，具体涉及一种高倍率的钒氧化物/碳纳米柔性管薄膜及其制备方法和应用，该材料可作为高能量、高倍率、长寿命柔性锂离子电池正极活性材料。
技术介绍
锂离子电池作为一种绿色化学存储器件，已广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等便携设备，并逐步成为动力移动电源的最佳选择。因此，研究大容量、高功率、长寿命、低成本的锂离子电池是当前低碳经济时代锂离子电池研究的前沿和热点之一。而随着现代科学技术的发展，越来越多的便携电子产品逐渐向可穿戴、可折叠、柔性发展，这就要求为电子产品供能的储能器件具有轻、薄、韧的特点，更说明柔性器件的开发将会是储能装置未来发展的一个必然趋势。而很多电极材料质地较脆，不具备柔性的特点。为了在柔性器件中得到运用，锂离子电池的电极材料需要实现较高的柔韧性及机械强度。钒氧化物作为典型的层状金属氧化物，由于其多种氧化态和配位多面体的存在使其拥有能够可逆地嵌入脱出锂离子，而被视为极具潜力的锂离子电池材料。但是普通的钒氧化物电极材料颗粒较大，形状不均一，难以实现可弯曲的特点。钒氧化物纳米带由于其较高的长宽比及超薄的厚度，可以实现一定的柔韧性，可被用于柔性薄膜电极的制备。但一般的超薄纳米带易发生自团聚，难以实现有序的层层组装，影响了材料的倍率性能和循环稳定性。将纳米带进行三维多孔凝胶化，可以使纳米带相互连通并抑制带层之间的无序堆叠与自团聚，有利于后续薄膜材料的均匀复合和有序组装。同时，引入的碳纳米管形成了高导电网络，实现了离子与电子的双连续输运畅通，使得钒氧化物的倍率性能进一步改善，同时保持优异的循环稳定性，并且增强了薄膜的机械强度。近年来，钒氧化物/碳纳米管复合材料作为锂离子电池正极材料已被逐步研究，但是钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜电极仍未报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜及其制备方法，其工艺简单，资源丰富，所得的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜电极正极材料具有优良电化学性能。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜，其由钒氧化物纳米带、钒氧化物纳米卷和碳纳米管层层堆叠而成，薄膜厚度为40～160微米，其中钒氧化物纳米带厚度为6～10纳米，钒氧化物纳米卷由钒氧化物纳米带卷曲而成，直径为0.3～1微米，长度为0.8～2微米，碳纳米管外径为8～15纳米，长度为45～50微米。钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜的制备方法，包括有以下步骤：1)称取聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)与Li2CO3溶解在去离子水中；2)在步骤1)所得溶液中加入多壁碳纳米管，超声分散均匀；3)在步骤2)所得溶液中加入五氧化二钒溶胶，继续搅拌，并超声分散；4)将步骤3)所得溶液转入反应釜中，在烘箱中反应；取出反应釜，自然冷却至室温；5)将步骤4)所得产物充分搅拌打散后，使用混合纤维素滤膜作为抽滤纸，进行抽滤；6)将步骤5)所得薄膜在滤纸上自然烘干后，将其剥离，并进一步将薄膜烘干；7)将步骤6)所得薄膜裁剪即获得钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜电极。按上述方案，所述的聚乙烯吡咯烷酮的用量为17mg；所述的Li2CO3的量为0.1～0.2mmol；所述的多壁碳纳米管的量为100～200mg；所述的五氧化二钒溶胶的用量为1.5mmol。按上述方案，步骤4)所述的反应温度为160～200℃；所述的反应时间为96～120小时。按上述方案，混合纤维素滤膜的孔径为0.10～0.45μm。按上述方案，步骤5)所述的抽滤的量为5～20mL。所述的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜作为锂离子电池正极活性材料的应用。本专利技术利用钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜中超薄纳米带与碳纳米管相互连接形成的高导电纳米网络，可实现离子与电子的双连续输运畅通，使其具备优异的倍率性能。同时纳米卷夹嵌在带层结构中可以较好地缓冲锂离子嵌入脱出的膨胀收缩应力，碳纳米管网络可作为高强度的结构骨架，实现其优异的循环稳定性。本专利技术的有益效果是：基于超薄纳米带和碳纳米管复合材料的独特优势，通过一步水热法成功合成了柔性钒氧化物/碳纳米管复合材料，并利用简单抽滤的方法，制备得到厚度可控的自支撑钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜电极材料。本专利技术作为锂离子电池正极活性材料时，该柔性薄膜电极表现出优异的循环稳定性与高倍率特性，是高能量、高倍率、长寿命锂离子电池的潜在应用材料。作为锂离子电池正极活性材料时，在100mAg-1电流密度下进行恒流充放电测试，其放电比容量可达310mAhg-1，在6000、8000、12000mAg-1大电流密度下，其放电比容量可达174、164、145mAhg-1。在4000mAg-1电流密度下放电比容量为194mAhg-1，循环200次以后容量为205mAhg-1，循环1000次以后容量为162mAhg-1，循环保持率为83.5％。本专利技术工艺简单，所采用的简单水热法对设备要求低，且制得的材料纯度高、分散性好，易于扩大化生产，非常有利于市场化推广。附图说明图1是本专利技术实例1的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜的XRD图；图2是本专利技术实例1的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜的拉曼光谱；图3是本专利技术实例1的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜的光学照片；图4是本专利技术实例1的不同厚度的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜的扫描电镜图；图5是本专利技术实例1的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜截面的扫描电镜图；图6是本专利技术实例1的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜的透射电镜图；图7是本专利技术实例1的不同厚度的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜的倍率性能图；图8是本专利技术实例1的不同厚度的钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜在4000mAg-1电流密度下的电池循环性能曲线图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1：钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜制备方法，它包括以下步骤：1)称取17mg的聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)与0.1mmolLiCO3溶解在30mL去离子水中；2)在步骤1)所得溶液中加入100mg多壁碳纳米管，超声分散1小时；3)在步骤2)所得溶液加入体积为30mL的1.5mmol五氧化二钒溶胶,继续搅拌1小时，超声分散1小时；4)将步骤3)所得溶液转入100mL反应釜中，在160℃的烘箱中反应96小时；取出反应釜，自然冷却至室温；5)将步骤4)所得产物充分搅拌打散后，使用孔径0.45μm的混合纤维素滤膜作为抽滤纸，取5mL水凝胶进行抽滤；6)将步骤5)得滤膜在滤纸上自然烘干后，将其剥离，并进一步将薄膜置于100℃烘进行箱干燥；7)将步骤6)所得薄膜裁剪即获得钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜电极。以本实例产物钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜为例，其结构由X-射线衍射仪确定。如图1所示，X-射线衍射图谱(XRD)表明，钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜中的钒氧化物为正交相H2V3O8(JCPDS卡片号为01-085-2401)，其中在26°的衍射峰来自碳纳米管。如图2所示，拉曼测试表明加入的多壁碳纳米管具有很高的石墨化程度，导电性较高。如图3所示，该柔性薄膜具有较高的柔韧性和机械强度，可以进行180度弯曲。如图4a所示，场发射扫描电镜(FESEM)测试表明，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜，其由钒氧化物纳米带、钒氧化物纳米卷和碳纳米管层层堆叠而成，薄膜厚度为40～160微米，其中钒氧化物纳米带厚度为6～10纳米，钒氧化物纳米卷由钒氧化物纳米带卷曲而成，直径为0.3～1微米，长度为0.8～2微米，碳纳米管外径为8～15纳米，长度为45～50微米。

【技术特征摘要】
1.钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜，其由钒氧化物纳米带、钒氧化物纳米卷和碳纳米管层层堆叠而成，薄膜厚度为40～160微米，其中钒氧化物纳米带厚度为6～10纳米，钒氧化物纳米卷由钒氧化物纳米带卷曲而成，直径为0.3～1微米，长度为0.8～2微米，碳纳米管外径为8～15纳米，长度为45～50微米。2.钒氧化物/碳纳米管柔性薄膜的制备方法，包括有以下步骤：1)称取聚乙烯吡咯烷酮与Li2CO3溶解在去离子水中；2)在步骤1)所得溶液中加入多壁碳纳米管，超声分散均匀；3)在步骤2)所得溶液中加入五氧化二钒溶胶，继续搅拌，并超声分散；4)将步骤3)所得溶液转入反应釜中，在烘箱中反应；取出反应釜，自然冷却至室温；5)将步骤4)所得产物充分搅拌打散后，使用混合纤维素滤膜作为抽滤纸，进行抽滤；6)将步骤5)所得薄膜在滤纸上自然烘干后，将其剥离，并进一步将薄膜烘干；7...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦立强，魏湫龙，潘烨欣，谭双双，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42