一种水合碱式焦钒酸锌（Zn3V2O7(OH)2·2H2O）材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的制备方法及应用，是将醋酸氧钒VO(Ac)2与氯化锌按摩尔比为1:1.5～1:4依次溶解到二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌均匀后得到深绿色溶液，然后将所得深绿色溶液转移到不锈钢反应釜中，将反应釜放入烘箱加热至120～180℃后恒温反应3～36h，最后冷却至室温，所得产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤后，离心过滤，真空干燥，得到产物水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)。本发明专利技术方法制得的水合碱式焦钒酸锌具有较高的可逆比容量和优良的电化学循环性能，而且倍率性能良好，可作为一种新型的负极材料在锂离子电池体系中得到应用。

【技术实现步骤摘要】
一种水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的制备方法及应用
本专利技术属于微纳米材料合成
，更具体地说，本专利技术涉及一种水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的制备方法及应用。
技术介绍
锂离子电池(LithiumIonBattery)是一种二次电池(可充电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用。锂离子电池已经商业化了几十年了，已广泛用于各种电子设备中。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜以及电池外壳组成，其中，正负极材料的物理化学活性是锂离子电池性能优劣的关键。因此开发出性能优异、环境友好、成本低廉的电极材料已成为电池领域研究者共同研究的热点。具体而言，锂离子电池的能量密度和电化学性能取决正、负极材料的物理和化学性质。而负极材料的选择是提高电池能量密度和安全性的关键因素之一。与锂离子电池其他部件相比，锂离子电池负极材料的发展相对较为成熟，现有技术中公开了很多用于锂离子电池的负极材料，例如碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂、过渡金属氧化物等。石墨类碳材料在商业应用中技术比较成熟，市场价格也比较稳定，在安全和循环寿命方面性能较好，并且廉价、无毒，是较为常见的负极材料。但目前商业化的石墨比容量仅为372mAhg-1，大大限制了其应用。近年来，也有其他科研学者尝试用其他新兴材料替代传统碳材料作为锂离子电池的负极材料，例如钒酸锌类材料，这种材料具有远高于石墨碳材料的充、放电容量，且具有特殊的通道结构，可以作为锂离子嵌入/脱嵌载体，有望成为一种新型的高功率、高比容量锂离子电池负极材料。申请号为CN103236531A的专利申请公开了一种锂离子电池钒酸锌负极材料及制备方法，是以焦钒酸锌为前躯体制备出结晶性能良好的新型锂离子电池负极材料钒酸锌Zn3(VO4)2，该材料制备需要高温处理，程序复杂，耗能多，而且制备的负极材料的颗粒较大，电子导电和离子导电率较小，倍率性能较差，不适用大功率的动力电池的应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的第一目的在于提供一种水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的制备方法，通过本专利技术方法制得的碱式焦钒酸锌具有特殊的形貌结构和高的理论容量，而且含有结晶水的碱式焦钒酸锌对其比容量也有一定贡献，打破了传统的观点，是适用于锂离子电池的有潜力的理想型负极材料。本专利技术上述所述的一种水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的制备方法，包括如下步骤：将醋酸氧钒VO(Ac)2与氯化锌依次溶解到二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌均匀后得到深绿色溶液，然后将所得深绿色溶液转移到不锈钢反应釜中，将反应釜放入烘箱加热至120～180℃后恒温反应3～36h，最后冷却至室温，所得产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤，离心过滤后真空干燥，得到产物水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料，其中：所述醋酸氧钒VO(Ac)2与氯化锌的摩尔比为1:1.5～1:4。进一步地，本专利技术上述技术方案中所述的反应釜在烘箱中的加热时间优选为18～30h。更进一步地，本专利技术上述技术方案中所述的反应釜在烘箱中的加热时间优选为24h。进一步地，本专利技术上述技术方案中所述的醋酸氧钒VO(Ac)2与氯化锌的摩尔比优选为1:1.5或1:4。进一步地，本专利技术上述技术方案中所述的反应釜在烘箱中的加热温度优选为130～140℃。进一步地，本专利技术上述技术方案中所述真空干燥的温度优选为60～80℃，干燥时间优选为8～12h。进一步地，本专利技术上述技术方案中产物是采用蒸馏水和无水乙醇交替洗涤的方式进行的，所得产物优选用蒸馏水和无水乙醇交替洗涤各2～3次。本专利技术上述技术方案中反应釜为具有聚四氟乙烯内衬的反应釜。进一步地，本专利技术上述技术方案中所述的醋酸氧钒VO(Ac)2、氯化锌原料纯度级别均为分析纯或化学纯级别。本专利技术的还一目的是在于提供一种采用上述方法制得的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料在锂离子电池中的应用。本专利技术提供一种电极，所述电极原料组分中包含上述方法制得的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料作为电极活性材料。本专利技术提供一种锂离子电池，所述锂离子电池的负极材料包含上述方法制得的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料。本专利技术的优点及积极效果为：(1)本专利技术采用溶剂热方法合成水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料，该方法成本低、操作简单，反应条件温和，不需要经过高温灼烧来制备，能耗低，并且合成产物纯度高，结晶性好，合成的产物为水合碱式焦钒酸锌，其晶胞参数与标准图谱JCPDSFileCardNo.50-0570一致；(2)本专利技术合成的产物水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料，其中钒的价态为五价；(3)本专利技术采用的二甲基甲酰胺不仅作为溶剂，在本专利技术中还起到模板剂的作用，有利于反应液中的离子进行自组装，生成水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)微米球结构；(4)本专利技术溶剂热反应时间对产物形貌有重要影响：当合成时间为3h，产物为不规则的小颗粒形状；当合成时间为6h，产物形状为片状；当合成时间为12h，产物中有微米球形成；当合成时间为16h，产物中微米球大小分布不均匀；当时间为24小时，形成微米球大小分布均匀，自组装成微米球的结构最完整；(5)本专利技术合成的水合碱式焦钒酸锌材料均具有良好的倍率循环性能，当电流密度为100mAg-1，分别经过100次循环后比容量均能保持在500mAhg-1以上，且合成时间为24h的产物电化学性能最佳，当电流密度为100mAg-1，该产物循环100次能维持比容量为1240.76mAhg-1，当电流密度为1000mAg-1，其比容量仍然为771.29mAhg-1，该材料的充电平台为1伏左右；(6)本专利技术合成的水合碱式焦钒酸锌材料阻抗小、锂离子扩散系数大，且合成时间为24h制得的产物阻抗最小，锂离子扩散系数最大，电池在充/放电过程中，极化程度小，当电流密度为5Ag-1时，其比容量为598.8mAhg-1，因此，采用本专利技术制得的水合碱式焦钒酸锌材料作为锂离子电池的负极材料，整个电池体系既有较高的储锂性能、又有优良的循环性能，电化学性能优异，与现有技术中的材料相比，具有很大的优势和宽阔的应用前景；(7)本专利技术原料来源丰富、廉价，对湖北鄂南和鄂西多地矿物资源的开发利用起到促进作用。附图说明图1为本专利技术实施例1～5中制备得到的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的X-射线衍射结果图；图2为本专利技术实施例1～4中制备得到的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的扫描电镜图；图3为本专利技术实施例5中制备得到的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的扫描电镜图；图4为本专利技术实施例5中制备得到的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的透射电镜图；图5为本专利技术实施例5中制备得到的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的热重分析图；图6中(a)为本专利技术实施例5中制备得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：将醋酸氧钒VO(Ac)2与氯化锌依次溶解到二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌均匀后得到深绿色溶液，然后将所得深绿色溶液转移到不锈钢反应釜中，将反应釜放入烘箱加热至120～180℃后恒温反应3～36h，最后冷却至室温，所得产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤，离心过滤后真空干燥，得到产物水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料，其中：所述醋酸氧钒VO(Ac)2与氯化锌的摩尔比为1:1.5～1:4。

【技术特征摘要】
1.一种水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：将醋酸氧钒VO(Ac)2与氯化锌依次溶解到二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌均匀后得到深绿色溶液，然后将所得深绿色溶液转移到不锈钢反应釜中，将反应釜放入烘箱加热至120～180℃后恒温反应3～36h，最后冷却至室温，所得产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤，离心过滤后真空干燥，得到产物水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料，其中：所述醋酸氧钒VO(Ac)2与氯化锌的摩尔比为1:1.5～1:4。2.根据权利要求1所述的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的制备方法，其特征在于：所述的反应釜在烘箱中的加热时间为18～30h。3.根据权利要求2所述的水合碱式焦钒酸锌(Zn3V2O7(OH)2·2H2O)材料的制备方法，其特征在于：所述的反应釜在烘箱中的加热时间为24h。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯传启，陈骁，刘晓琳，吴慧敏，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42