一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物及制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物及制备方法和用途，该氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物为多孔亚微米球结构，球结构包括若干纳米片，纳米片之间存在孔隙；制备方法包括：将氧化石墨烯分散在去离子水中得到氧化石墨烯水溶液；且将乙酰丙酮钒、磷酸、氟化钠、乙醇和丙酮按预设比例混合均匀后得到混合溶液；将氧化石墨烯水溶液与混合溶液按设定比例混合后置于温度为120℃的高压釜中进行水热反应；将经水热反应后的产物依次洗涤、离心和烘干，获取氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物；由于氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的导电性良好同时结构稳定，因此，适宜应用于钠离子电池的正极材料。

A sodium vanadium oxide fluorophosphate/graphene composite and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物及制备方法和用途
本专利技术属于无极材料制备领域，更具体地，涉及一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物及制备方法和用途。
技术介绍
可持续的能源生产对于实现可持续发展战略有着十分重大的意义，传统化石燃料的迅速消耗以及其过度使用所带来的日益严重的环境问题进一步刺激了可再生能源的使用。然而在可再生能源的使用上，成本和有效的能量存储系统特别是大规模储能系统依然存在着巨大的挑战。电化学储能系统具有灵活性好、能量转换效率高、维护简单等优点，是最有前景的储能系统，其中锂离子电池具有较高的能量密度和功率密度已经成功商业化，占据了大部分便携式电子设备的市场，然而有限的锂资源所带来的原材料供应不足以及成本的增加势必会限制其在大规模储能中的应用。相比于锂资源在地球上的有限储量且不均匀的分布，钠盐大量存在于地壳和海水中，且有着与锂相似的物理化学性质，因此钠离子电池有望应用在大规模储能中并降低储能成本。正极材料是制约钠离子电池大规模发展的关键因素，也是其成本的主要决定因素。合适的钠离子电池必须具有较高的氧化还原电位及比容量、足够的钠离子扩散通道、结构稳定、较高的电化学活性和电化学稳定性等优点。作为典型的钠离子电池正极材料，聚阴离子型氟磷酸盐能提供离子传导的二维通道，有着很好的离子导电性以及稳定的三维骨架结构。氟磷酸钒氧钠作为钠超离子导体中的一员，具有电压平台高、理论比容量高、循环性能好等优点，因此是一种很有潜力的钠离子电池正极材料。但是通常氟磷酸盐导电性都很差，电导率只有10-12西门子/厘米，这极大地限制了其进一步的实际应用，尤其是在需要大电流充放电的大规模储能领域。现有技术主要采取碳包覆或者贵金属包覆等策略来提高材料的导电性，这些策略有所成效但改善程度有限，这主要归因于不均匀的尺寸分布和纳米颗粒的严重团聚所导致的不良的电解液渗透以及复合材料大的界面阻抗，同时材料与包覆层之间的界面不稳定，在钠离子嵌入/脱出过程中氟磷酸钒氧钠的体积变化使得包覆层与材料脱离也会导致导电性变差。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合电极材料及其制备方法，旨在解决现有的氟磷酸钒氧钠导电性差的问题。为实现上述目的，本专利技术其一提供了一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物，其形貌为多孔亚微米球结构，球结构包括若干纳米片，纳米片之间存在孔隙；优选地，多孔亚微米球结构的直径从纳米级到微米级；优选地，多孔亚微米球结构的尺寸大小通过石墨烯的比例调节；本专利技术其二提供了一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的制备方法，包括：(1)将石墨烯分散在去离子水中得到氧化石墨烯水溶液；且将三价钒化合物、磷酸/磷酸化合物、氟化钠、乙醇和丙酮按预设比例混合均匀后得到混合溶液；(2)将氧化石墨烯水溶液与混合溶液按设定比例混合后置于温度为120℃的高压釜中进行水热反应；(3)将步骤(2)中经水热反应后的产物依次洗涤、离心和烘干，获取氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物。优选地，上述步骤(1)中的混合溶液为：乙酰丙酮钒，磷酸，氟化钠，乙醇和丙酮；本专利技术其三提供了一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的用途，其应用于钠离子电池的正极材料；优选地，在氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物中加入导电剂乙炔黑，粘结剂聚偏氟乙烯，获取钠离子电池电极；利用钠离子电池电极、钠片、电解液和隔膜组装扣式电池。优选地，氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物、乙炔黑与聚偏氟乙烯的质量比为7:2:1；优选地，电解液为1mol/L的高氯酸钠，其溶剂是体积比为1∶1∶0.05的碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯混合液体；或电解液为1mol/L的六氟磷酸钠，其溶剂为二乙二醇二甲醚。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：(1)本专利技术提供的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的形貌为多孔亚微米球结构，将其应用到电池中可以与电解液充分接触，增加电解液的渗透能力，减小界面电阻；且石墨烯不仅仅存在于每个纳米片中，还在整个球的内部孔隙中交联存在，相当于构成一个导电网络将每个初级纳米片连接在一起，既有利于离子、电子传输，也使得整个结构更加稳定，不会因为循环放电而坍塌，因此，将氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物作为电池材料可增加电池的导电性。(2)本专利技术的制备工艺可具有可调性，即通过调节合成过程中氧化石墨烯的比例控制氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的多孔亚微米球结构的直径大小，并且本专利技术制备的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的导电性有所提升，因此，氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物可应用于钠离子电池或者其他储能器件的正极，可表现出优异的电化学性能，特别是较好的高倍率性能。(3)本专利技术使用简单的低温水热法将氟磷酸钒氧钠与石墨烯原位复合，既不需要使用还原剂也无需进行高温退火，具有可重复性高、过程简单、耗时耗能少等优点，可适用于工业化生产应用，因而在储能材料、先进功能材料制备等诸多新能源、新材料领域有着广泛的应用前景。附图说明图1是实施例1、实施例2及实施例3中氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的X射线衍射图谱；图2(a)是实施例1中氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的扫描电子显微镜图；图2(b)是实施例2中氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的扫描电子显微镜图；图2(c)是实施例3中氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的扫描电子显微镜图；图3是实施例2中氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的透射电子显微镜图；图4(a)是实施例1、实施例2及实施例3中测试氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的钠离子电池的倍率性能对比图；图4(b)是实施例1、实施例2及实施例3中测试氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的钠离子电池的循环性能对比图；图5(a)是实施例4中测试氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的钠离子电池的倍率性能图；图5(b)是实施例4中测试氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的钠离子电池的循环性能图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术其一提供了一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物，其形貌为多孔亚微米球结构，球结构包括若干纳米片，纳米片之间存在孔隙；优选地，多孔亚微米球结构的直径从纳米级到微米级；优选地，多孔亚微米球结构的尺寸大小通过石墨烯的比例调节；本专利技术其二提供了一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的制备方法，包括：(1)将石墨烯分散在去离子水中得到氧化石墨烯水溶液；且将三价钒化合物、磷酸/磷酸化合物、氟化钠、乙醇和丙酮按预设比例混合均匀后得到混合溶液；(2)将氧化石墨烯水溶液与混合溶液按设定比例混合后置于温度为120℃的高压釜中进行水热反应；(3)将步骤(2)中经水热反应后的产物依次洗涤、离心和烘干，获取氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物(Na3(VOPO4)2F)。优选地，上述步骤(1)中的混合溶液为乙酰丙酮钒，磷酸，氟化钠，乙醇和丙酮；优选地，上述步骤(1)中将150mg氧化石墨烯分散在15g去离子水中得到氧化石墨烯水溶液；获取混合溶液的预设比例为:乙酰丙酮钒为359mg，磷酸为104μL，氟化钠为71.5mg，乙醇为3mL和丙酮为1mL；优选地，上述步骤(2)中氧化石墨烯水溶液的质量为3g或4.5g或6g；本专利技术其三提供了一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的用途：其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物，其特征在于，其形貌为多孔亚微米球结构，球结构包括若干纳米片，纳米片之间存在孔隙。

【技术特征摘要】
1.一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物，其特征在于，其形貌为多孔亚微米球结构，球结构包括若干纳米片，纳米片之间存在孔隙。2.如权利要求1所述的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物，其特征在于，所述多孔亚微米球结构的直径从纳米级到微米级。3.如权利要求1或2所述的氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物，其特征在于，所述多孔亚微米球结构的尺寸大小通过石墨烯的比例调节。4.一种氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物的制备方法，其特征在于，包括：(1)将氧化石墨烯分散在去离子水中得到氧化石墨烯水溶液；且将三价钒化合物、磷酸/磷酸化合物、氟化钠、乙醇和丙酮按预设比例混合均匀后得到混合溶液；(2)将氧化石墨烯水溶液与混合溶液按设定比例混合后置于温度为120℃的高压釜中进行水热反应；(3)将步骤(2)中经水热反应后的产物依次洗涤、离心和烘干，获取氟磷酸钒氧钠/石墨烯复合物。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李园园，巴德良，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42