一种钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法技术

一种钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法，将糖类化合物和乙酰丙酮氧钒加入至N,N‑二甲基甲酰胺中，加热搅拌至溶解，然后进行水热反应，采用酒精洗涤离心、干燥，最后热处理得到V2O3/C材料。本发明专利技术采用溶剂热的方法，制备纳米级别的V2O3/C一次颗粒，提高V2O3/C材料的电化学性能，同时一次纳米颗粒形成微球缓解钠离子脱嵌后造成的体积变化，保持材料在长程充放过程中的稳定性。

Preparation of a negative spherical V2O3/C material for sodium ion batteries

A preparation method of sodium ion battery cathode material spherical V2O3/C, the carbohydrate and acetylacetone vanadium added to N, N two methyl formamide, heating and stirring to dissolve, then the hydrothermal reaction, the use of alcohol washing, centrifugal drying, the final heat treatment V2O3 /C materials. The invention adopts the solvothermal method, preparation of nanoscale V2O3/C particle, improve the electrochemical performance of V2O3/C materials, at the same time, the volume change of nanoparticles formed microspheres of sodium ion deintercalation caused after remission, maintain the stability of the process of material is placed in the long-range charge.

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法
本专利技术属于纳米材料与电化学
，具体涉及一种钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法，尤其是涉及一种具备纳米一次颗粒（所述一次颗粒为最先形成的不可以独立存在的颗粒，它只有聚集成二次颗粒时才能独立存在）的花瓣状的钠离子电池负极球状V2O3/C复合材料的制备方法。
技术介绍
能源是支撑整个人类文明进步的物质基础。随着社会经济的高速发展，人类社会对能源的依存度不断提高。目前，传统化石能源如煤、石油、天然气等为人类社会提供主要的能源。化石能源的消费不仅使其日趋枯竭，且对环境影响显著。因此改变现有不合理的能源结构已成为人类社会可持续发展面临的首要问题。目前，大力发展的风能、太阳能、潮汐能、地热能等均属于可再生清洁能源，由于其随机性、间歇性等特点，如果将其所产生的电能直接输入电网，会对电网产生很大的冲击。在这种形势下，发展高效便捷的储能技术以满足人类的能源需求成为世界范围内研究热点。目前，储能方式主要分为机械储能、电化学储能、电磁储能和相变储能这四类。与其他储能方式相比，电化学储能技术具有效率高、投资少、使用安全、应用灵活等特点，最符合当今能源的发展方向。电化学储能历史悠久，钠硫电池、液流电池、镍氢电池和锂离子电池是发展较为成熟的四类储能电池。锂离子电池具有能量密度大、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、自放电小、工作温度范围宽等优点。但其仍然存在很多问题，如电池安全、循环寿命和成本问题等。而且随着锂离子电池逐渐应用于电动汽车，锂的需求量将大大增加，而锂的储量有限，且分布不均，这对于发展要求价格低廉、安全性高的智能电网和可再生能源大规模储能的长寿命储能电池来说，可能是一个瓶颈问题。金属空气电池由于其超高的理论比能量，也受到了广泛的关注。因此，亟需发展下一代综合效能优异的储能电池新体系。相比锂资源而言，钠储量十分丰富，约占地壳储量的2.64%，且分布广泛、提炼简单，同时，钠和锂在元素周期表的同一主族，具有相似的物理化学性质。而且钠离子电池具有与锂离子电池类似的工作原理，正负极由两种不同的钠离子嵌入化合物组成。充电时，Na＋从正极脱出经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na＋从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。在正常的充放电情况下，钠离子在正负极间的嵌入脱出不破坏电极材料的基本化学结构。从充放电可逆性看，钠离子电池反应是一种理想的可逆反应。因此，发展针对于大规模储能应用的钠离子电池技术具有重要的战略意义。但是由于钠离子的直径较大，大量钠离子的脱嵌会造成材料的巨大体积变化而使得材料结构发生破坏，使得容量急剧衰减，因此限制了钠离子电池的应用。钒氧化物由于成本低、产量充足等特点，而被广泛的应用于钠离子电池、超级电容器等电化学储能领域。钒氧化物具有丰富的价态变化以及特殊的层状结构，因而相比于其他非贵金属过渡金属氧化物，具有更高的电荷储存能力。但是，V2O3材料与其他氧化物材料一样也存在着首次充放电库伦效率低、充放电循环稳定性差的缺点。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种操作简便、成本低的钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法，所得负极材料纯度高，可以大量合成，用于制备钠离子电池，比容量高，循环稳定性好。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是，一种钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法，将糖类化合物和乙酰丙酮氧钒加入至N,N-二甲基甲酰胺中，加热搅拌至溶解，然后进行水热反应，采用酒精洗涤离心、干燥，最后热处理得到V2O3/C材料。具体包括以下步骤：(1)称取0.1~2mmol的糖类化合物，加入20~80mLN,N-二甲基甲酰胺中，持续加热搅拌，直至溶解；(2)称取0.1~10mmol的乙酰丙酮氧钒，并加入至步骤(1)所得溶液中，持续搅拌，直至溶解；(3)将步骤(2)所得混合物在温度为160~220℃（优选180~200℃）的条件下水热反应2~15h（优选4~12h），得到前驱体；(4)采用酒精洗涤、离心、干燥，最后在惰性气氛下进行热处理，得到V2O3/C材料。进一步，步骤（1）中，所述糖类化合物为葡萄糖、蔗糖、果糖中的至少一种。进一步，步骤（1）中，所述加热温度为50~90℃，搅拌速率为80~900转/min。进一步，步骤（2）中，所述搅拌速率为80~900转/min。进一步，步骤（4）中，所述洗涤次数为3次以上。进一步，步骤（4）中，所述离心转速为3000~9500转/min。干燥温度为45~90℃，干燥时间为8~18h。惰性气氛为氩气、氮气、氦气中的至少一种。热处理温度为350~850℃，保温时间为1~6h，升温速度为2~10℃/min。本专利技术所制得的V2O3/C材料，一次颗粒为超细纳米颗粒，能提高V2O3/C材料的比表面积，增加V2O3/C材料与电解液接触的表面积，缩短电子传输的路径，提高V2O3/C材料的电化学性能。纳米一次颗粒形成的二次颗粒花瓣状微球（二次花瓣状颗粒是在水热过程中由一次颗粒形成的）（有多个一次颗粒在没有冶金键合而结合成粉末颗粒称为二次颗粒）可以有效的缓解在充放电过程中钠离子脱嵌所造成的体积变化。而且碳包覆是减缓材料体积变化的有效途径之一；同时将材料二次颗粒制备成特异形状，使得其中一次颗粒的体积膨胀相互抑制也可改善材料的体积变化。本专利技术采用溶剂热的方法，制备纳米级别的V2O3/C一次颗粒，提高V2O3/C材料的电化学性能，同时一次纳米颗粒形成微球缓解钠离子脱嵌后造成的体积变化，保持材料在长程充放过程中的稳定性。本专利技术在合成材料的过程中，将材料的一次颗粒进行纳米化，可以提供相对多的活性表面，更有利于离子和电子在表面的传输。一次颗粒有规律的组成花瓣状的微球，能避免一次纳米颗粒团聚，同时花瓣状的微球内部的孔隙通道较多，有利于电解液的浸润，能提高材料的电化学性能。并且，在钠离子充放电过程中，花瓣状的微球由于其特异的形状特征可以有效的缓解大量钠离子脱嵌后造成的体积变化。本专利技术与现有技术相比，具有以下的有益效果：1.本专利技术制备的V2O3/C材料，一次颗粒为超细纳米颗粒，能提高V2O3/C材料的电化学性能；二次颗粒花瓣状微球可以有效的缓解在充放电过程中钠离子脱嵌所造成的体积变化，提高V2O3/C材料在长程充放电过程中的稳定性。2.本专利技术的制备方法操作简单、成本低，所得负极材料纯度高，制备成钠离子电池产品，其性能优异，并且可以大量合成，可控性强、重复性好，适用性广；3.采用本专利技术的钠离子电池负极组装得到的钠离子电池具有很高的比容量；且具有极好的循环稳定性；具有显著的经济价值。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的V2O3/C负极材料的XRD图；图2为本专利技术实施例1制备的V2O3/C负极材料的SEM图；图3为本专利技术实施例1制备的V2O3/C负极材料应用于钠离子电池的充放电倍率性能曲线图；其中，图中正方形表示库伦效率，圆形表示放电容量，三角形表示充电容量；图4为本专利技术实施例1制备的V2O3/C负极材料应用于钠离子电池的充放电循环性能图；其中，图中正方形表示库伦效率，圆形表示放电容量，三角形表示充电容量。具体实施方式下面结合本专利技术的实施例对本专利技术作进一步的阐述和说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法，其特征在于，将糖类化合物和乙酰丙酮氧钒加入至N,N‑二甲基甲酰胺中，加热搅拌至溶解，然后进行水热反应，采用酒精洗涤离心、干燥，最后热处理得到V2O3/C材料。

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法，其特征在于，将糖类化合物和乙酰丙酮氧钒加入至N,N-二甲基甲酰胺中，加热搅拌至溶解，然后进行水热反应，采用酒精洗涤离心、干燥，最后热处理得到V2O3/C材料。2.根据权利要求1所述的钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)称取0.1~2mmol的糖类化合物，加入20~80mLN,N-二甲基甲酰胺中，持续加热搅拌，直至溶解；(2)称取0.1~10mmol的乙酰丙酮氧钒，并加入至步骤(1)所得溶液中，持续搅拌，直至溶解；(3)将步骤(2)所得混合物在温度为160~220℃的条件下水热反应2~15h，得到前驱体；(4)采用酒精洗涤、离心、干燥，最后在惰性气氛下进行热处理，得到V2O3/C材料。3.根据权利要求1或2所述的钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述糖类化合物为葡萄糖、蔗糖、果糖中的至少一种。4.根据权利要求1或2所述的钠离子电池负极球状V2O3/C材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述加热温度为50~90℃，搅...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑俊超，肖彬，张宝，童汇，张佳峰，喻万景，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43