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二维LiV制造技术

技术编号:26070566 阅读:52 留言:0更新日期:2020-10-28 16:44
二维LiV

【技术实现步骤摘要】
二维LiV3O8和石墨烯复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及锌离子电池电极材料
,特别涉及一种二维LiV3O8和石墨烯复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
现在市面上流行的可充电电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池(包括锂电池和聚合物锂电池)等,上述类型的电池在安全、价格、环保以及能量密度方面有各自的缺点。二次水系锌离子电池兼具安全、廉价、环保、高能量密度等优势。高能量密度的二次水系锌离子电池(ZIBs)有望满足日益增长的安全、可持续能源存储设备的需求。现有的研究表明,活性物质颗粒尺寸过大会让二次电池在充放电过程中离子的嵌入和脱出有更大的能势壁垒,这阻碍了循环性能的提高,与此同时充放电过程中的离子进入活性物质晶格也需要更长的传播路径,这势必也会极大的影响材料的电化学性能。已知厚度小于10nm,且平面尺寸在几十纳米到微米之间的超薄二维纳米材料由于其极高的比表面积而具有极佳的电学、化学、热学、光学和磁学性能而被应用于传感器的制备、二次电池化学储能、电催化、光催化等诸多领域,并且随着材料的组成尺寸不断减小,其不仅有着电子传输现象的优势,并且在二次电池储能过程中对寄宿离子拥有强大的存储性能,这将给储能领域也带来极大的生机。目前来看,对于低成本绿色体系的锌离子电池的研究仍面临较大的挑战,其中,允许二价Zn2+锌离子快速嵌入和脱出的电极材料的研究已成为亟需突破的关键点。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是针对五氧化二钒准层状晶体结构在脱嵌锌时容易被破坏的缺点,合成一种二维LiV3O8与石墨烯层层交替复合的新型锌电池正极材料,从本质上改善LiV3O8的脱嵌锌循环稳定性,提高材料的电化学性能。为了实现上述目的,本专利技术提供一种二维LiV3O8和石墨烯复合材料,其包括活性层,所述活性层由LiV3O8纳米带层和石墨烯层组成,在两层石墨烯层之间夹着有一层LiV3O8纳米带层,所述石墨烯层表面起伏形成皱褶,所述LiV3O8纳米带层与位于其两侧的石墨烯层复合到一起,在所述石墨烯层与LiV3O8纳米带层间分布着尺寸为纳米级的间隙。另外,本专利技术还提供一种制备上述二维LiV3O8和石墨烯复合材料的方法,在LiV3O8纳米带层和石墨烯层交替复合而成的复合材料退火过程结束时,使其骤冷,进行急速降温,从而使得石墨烯层局部收缩不均匀形成皱褶,进而在所述石墨烯层与LiV3O8纳米带层间产生尺寸为纳米级的间隙。具体而言,制备上述二维LiV3O8和石墨烯复合材料的方法包括以下步骤:步骤一、制备LiV3O8二维纳米水合物前驱体;1.1.按照合适的摩尔比取V2O5和LiOH粉末球磨混合均匀;1.2.加水将球磨后的粉末搅拌分散均匀,再一边搅拌一边滴加过氧化氢溶液,使混合溶液由浑浊转为橙色澄清;1.3.将橙色澄清溶液加入密闭反应釜中,在120-220℃条件下保温6-48小时,取出冷却得到所述LiV3O8二维纳米水合物前驱体;步骤二、LiV3O8二维纳米水合物与石墨烯复合;2.1.取适量氧化石墨烯加水分散,取适量氨丙基三甲氧基硅烷加水分散,将上述氧化石墨烯和氨丙基三甲氧基硅烷分别加水分散所得到的溶液均匀滴加到所述LiV3O8二维纳米水合物前驱体中,搅拌混合均匀后得混合溶液;2.2.将步骤2.1制备的混合溶液在空气中干燥后,得固态的复合材料;步骤三、LiV3O8纳米带层和石墨烯层复合材料的退火处理与形貌塑造;3.1.将步骤2.2得到的复合材料在密闭空间内以1-5℃min-1的升温速度加热至180-550℃并保持1-4h,期间通入氢气和氩气的混合气体,所述混合气体中氢气的含量为5%-20%,通入的混合气体的流速为100-600sccm;3.2.在步骤3.1中的保温过程结束时,使复合材料骤冷,进行急速降温,使得该复合材料中的石墨烯层局部收缩不均匀形成皱褶,进而在复合材料的LiV3O8纳米带层与石墨烯层间产生尺寸为纳米级的间隙,至此完成所述二维LiV3O8和石墨烯复合材料的制备。其中,在步骤1.1中,所述V2O5和LiOH的摩尔比为3:1.03。其中,在步骤1.2,滴加的过氧化氢溶液中过氧化氢的浓度为10%-50%。其中,在步骤2.1,加水分散所得到的氧化石墨烯溶液中,氧化石墨烯的浓度为1-4mgml-1。其中,在步骤2.1,加水分散所得到的氨丙基三甲氧基硅烷溶液中,氨丙基三甲氧基硅烷的浓度为0.02-0.06mgml-1。进一步地,在上述制备二维LiV3O8和石墨烯复合材料的方法中,所述氧化石墨烯采用以下步骤制备:a.取适量鳞片状石墨和硝酸钠,置于恒温在0℃的反应容器中,加入一定量的浓硫酸使其溶解,其后逐步分次加入适量高锰酸钾,加入高锰酸钾的过程中持续搅拌以控制反应过程中溶液温度在20-30℃之间,加入所有高锰酸钾后继续搅拌并滴加去离子水,然后往反应容器中滴加适量浓度为30-40%的过氧化氢溶液,搅拌混合均匀,反应生成固体产物;b.将步骤a得到的固体产物滤出,固体产物使用浓度为3-7%的盐酸和去离子水交替反复冲洗;c.将冲洗后的固体产物在50-70℃条件下真空干燥,去除所有水分;d.取适量干燥后的固体产物研磨分散于去离子水中,得到棕色悬浮状溶液,对棕色悬浮状溶液交替施以搅拌和超声分散,使溶液中的固体产物分散均匀、稳定;e.在25-35℃水浴条件下,往步骤d获得的溶液中缓慢加入适量铁粉和浓度为30-40%的盐酸溶液,搅拌均匀后静置一段时间,充分反应后再次缓慢加入适量浓度为30-40%的盐酸,持续搅拌,反应完成后抽滤得氧化石墨烯初产物;f.将步骤e获得的氧化石墨烯初产物真空干燥,去除所有水分后得到目标产物。具体而言,在步骤a中,鳞片状石墨、硝酸钠、高锰酸钾的质量比为2:1:6;在步骤d和e中,固体产物与铁粉的质量比为1:20,铁粉与第一次加入的浓度为30-40%的盐酸溶液的配比为1g铁粉对应20ml浓度为30-40%的盐酸溶液,第二次加入的浓度为30-40%的盐酸溶液与第一次加入的浓度为30-40%的盐酸溶液的体积比为1:2。最后,本专利技术还涉及到将上述二维LiV3O8和石墨烯复合材料作为锌离子电池正极材料的应用。在本专利技术提供的二维LiV3O8和石墨烯复合材料中,石墨烯薄层形成有皱褶,具有极大比表面积,皱褶石墨烯薄层和LiV3O8纳米带层交替复合后,二者之间分布有间隙,活性层中的石墨烯具有良好的柔韧性,可以让电解液更加容易地渗入材料深层,增加与活性物质的接触,进一步增加了比表面积,提高了电化学性能。在上述LiV3O8和石墨烯复合材料中,在石墨烯层与层之间夹着LiV3O8纳米带,这种夹层结构确保了每一层被夹在石墨烯中的LiV3O8纳米带的良好导电性,其中LiV3O8作为储存Zn2+离子的材料,层状石墨烯作为电子通路网络。已知LiV3O8活性物质在充放电过程中会反复嵌入脱出Zn2+离子,在Zn2+离子嵌入和脱出的过程中其体积会反复的膨胀和收缩,本专利技术提供的复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.二维LiV

【技术特征摘要】
1.二维LiV3O8和石墨烯复合材料,其特征在于:包括活性层,所述活性层由LiV3O8纳米带层和石墨烯层组成,在两层石墨烯层之间夹着有一层LiV3O8纳米带层,所述石墨烯层表面起伏形成皱褶,所述LiV3O8纳米带层与位于其两侧的石墨烯层复合到一起,在所述石墨烯层与LiV3O8纳米带层间分布着尺寸为纳米级的间隙。


2.二维LiV3O8和石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于:在LiV3O8纳米带层和石墨烯层交替复合而成的复合材料退火过程结束时,使其骤冷,进行急速降温,从而使得石墨烯层局部收缩不均匀形成皱褶,进而在所述石墨烯层与LiV3O8纳米带层间产生尺寸为纳米级的间隙。


3.根据权利要求2所述的制备二维LiV3O8和石墨烯复合材料的方法,其特征在于,包括:
步骤一、制备LiV3O8二维纳米水合物前驱体;
1.1.按照合适的摩尔比取V2O5和LiOH粉末球磨混合均匀;
1.2.加水将球磨后的粉末搅拌分散均匀,再一边搅拌一边滴加过氧化氢溶液,使混合溶液由浑浊转为橙色澄清;
1.3.将橙色澄清溶液加入密闭反应釜中,在120-220℃条件下保温6-48小时,取出冷却得到所述LiV3O8二维纳米水合物前驱体;
步骤二、LiV3O8二维纳米水合物与石墨烯复合;
2.1.取适量氧化石墨烯加水分散,取适量氨丙基三甲氧基硅烷加水分散,将上述氧化石墨烯和氨丙基三甲氧基硅烷分别加水分散所得到的溶液均匀滴加到所述LiV3O8二维纳米水合物前驱体中,搅拌混合均匀后得混合溶液;
2.2.将步骤2.1制备的混合溶液在空气中干燥后,得固态的复合材料;
步骤三、LiV3O8纳米带层和石墨烯层复合材料的退火处理与形貌塑造;
3.1.将步骤2.2得到的复合材料在密闭空间内以1-5℃min-1的升温速度加热至180-550℃并保持1-4h,期间通入氢气和氩气的混合气体,所述混合气体中氢气的含量为5%-20%,通入的混合气体的流速为100-600sccm;
3.2.在步骤3.1中的保温过程结束时,使复合材料骤冷,进行急速降温,使得该复合材料中的石墨烯层局部收缩不均匀形成皱褶,进而在复合材料的LiV3O8纳米带层与石墨烯层间产生尺寸为纳米级的间隙,至此完成所述二维LiV3O8和石墨烯复合材料的制备。


4.根据权利要求3所述的制备二维LiV3O8和石墨烯复合材料的方法,其特征在于:在步骤1.1中,所述V2O5和LiOH的摩尔比为3:1.03。


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【专利技术属性】
技术研发人员:张睿智黄靖栋尹岚戴成秋
申请(专利权)人:湖南工学院
类型:发明
国别省市:湖南;43

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