一种VS4/rGO复合材料及其制备方法、锌离子电池中的应用技术

本发明专利技术提出了一种VS4/rGO复合材料及其制备方法、锌离子电池中的应用，VS4/rGO复合材料包括以下步骤：将氧化石墨烯分散于去离子水中形成氧化石墨烯溶液；按照摩尔比钒源：硫源＝0.6

【技术实现步骤摘要】
一种VS4/rGO复合材料及其制备方法、锌离子电池中的应用


[0001]本专利技术涉及锌离子电池电极材料
，特别是指一种VS4/rGO复合材料及其制备方法、锌离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]化石燃料枯竭和环境污染等问题的日益凸显使得绿色新能源技术的开发备受关注。可充电电池由于寿命长，能效高和维护简单等优势已在电子设备及电动汽车等领域广泛应用。鉴于锂离子电池所体现出的安全及高成本等问题，具有低成本、高安全性、环境友好及高功率等优势的水系锌离子电池已逐渐受到研究关注。然而，目前锌离子电池较多使用的锰基及普鲁士蓝正极材料虽然具有高能量密度，但锰在电解质中的溶解会显著影响其倍率性能和稳定性；同时锌离子在电解质中扩散受限也造成容量低及衰减等问题，这极大的限制了其大规模应用。因此对具有优异电化学性能正极材料的设计制备技术仍待发展。
[0003]鉴于钒的多价态和多型性，钒基化合物可具有优异的电化学性能，这为水系锌离子电池正极材料的发展提供了新方向。但目前所研究的钒基正极材料如五氧化二钒，二氧化钒等材料存在容量低、材料结构不稳定、倍率性能及循环稳定性较差等问题。作为过渡金属硫化物，四硫化钒(VS4)由于链间距大)由于链间距大及含硫量高等特征而有望促进锌离子的嵌入/脱嵌过程；链间弱相互作用也可同时促进其电荷传输动力学过程。因此，设计并制备基于VS4的正极材料将有望进一步提高水系锌离子电池的容量及循环稳定性。
[0004]CN109888223A公开了一种四硫化钒@还原氧化石墨烯复合粉体的制备方法，VS4在氧化石墨烯表面均匀成核，并依托其生长，同时氧化石墨烯在水热条件下被还原为还原氧化石墨烯并且变得很薄，从而形成VS4弯曲纳米棒原位平铺于还原氧化石墨烯表面的复合结构，该结构中VS4的比表面积有限，会在一定程度上限制电极材料与电解液的接触面积，影响电池整体的电荷转移和离子传输。
[0005]CN108598432A公开了一种用于钠离子电池电极的四硫化钒/石墨烯复合材料的制备方法，使四硫化钒生长在层状石墨烯模板上或者用石墨烯包覆四硫化钒颗粒，形成稳定的固体电解质界面膜，在0.02A
·
g
‑1电流下循环50圈后循环保持率为60％，存在循环保持率较低，长期稳定性较差等问题。

技术实现思路

[0006]针对水系锌离子电池存在的容量低、倍率性能差、循环稳定性差等问题，本专利技术开发了一种具有简单及低成本特点的一步水热合成法，通过将具有高机械性能、高导电性及三维结构的还原性氧化石墨烯(rGO)与具有高含硫量、多活性位点的四硫化钒(VS4)复合，制备了一种具有优异电化学性能的VS4/rGO复合正极材料，并将其应用于水系锌离子电池中，显著提升了其容量、倍率性能及循环稳定性。
[0007]本专利技术的技术方案是这样实现的：一种VS4/rGO复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、将氧化石墨烯分散于去离子水中形成氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5
‑
5mol/ml；
[0009]步骤2、按照摩尔比钒源：硫源＝(0.6
‑
1.2)：(0.6
‑
1.5)的比例，将钒源和硫源溶于氧化石墨烯溶液中，搅拌形成均一的预混溶液；
[0010]步骤3、搅拌下向步骤2形成的预混溶液中滴加氨水，直至溶液pH＝9，得到混合溶液；
[0011]步骤4、将步骤3形成的混合溶液在140
‑
200℃的温度下反应24
‑
48小时；
[0012]步骤5、待步骤4反应完成，冷却到室温后，将所得产物清洗冷冻干燥，得到四硫化钒纳米颗粒/三维石墨烯(VS4/rGO)复合材料。
[0013]进一步地，步骤1中，氧化石墨烯的片径5
‑
10μm、层数1
‑
5层。
[0014]进一步地，步骤1中，采用超声分散，分散时间0.5
‑
1小时，氧化石墨烯水溶液的浓度0.8
‑
2mol/ml。
[0015]进一步地，步骤2中，钒源为正钒酸钠或偏钒酸钠，硫源为硫代乙酰胺或半胱氨酸。
[0016]进一步地，步骤2中，钒源与硫源的摩尔比为(0.8
‑
1)：(0.9
‑
1.2)。
[0017]进一步地，步骤2中，搅拌转速500
‑
1000r/min，搅拌时间0.5
‑
0.8小时。
[0018]进一步地，步骤4中，反应温度为160
‑
180℃，反应时间24
‑
28小时。
[0019]进一步地，步骤4中，混合溶液的容积25
‑
35ml。
[0020]进一步地，步骤5中，将所得产物用去离子水和无水乙醇反复清洗，然后在
‑
70～
‑
50℃下冷冻干燥12
‑
24小时，优化地，冷冻干燥时间15
‑
20小时。
[0021]一种VS4/rGO复合材料，采用所述制备方法制备。
[0022]进一步地，VS4/rGO复合材料，包括VS4颗粒和rGO，VS4颗粒为粒径200
‑
300nm的球形，rGO为三维网状结构，VS4颗粒均匀附着在rGO形成的三维网状结构中。
[0023]所述VS4/rGO复合材料在水系锌离子电池正极材料中的应用。
[0024]进一步地，水系锌离子电池正极材料的制备方法，具体如下：
[0025](1)将VS4/rGO复合材料与乙炔黑、粘结剂按照质量比8:1:1混合，超声分散于少量无水乙醇中形成匀质浆料；
[0026](2)将步骤(1)中的匀质浆料均匀涂覆于碳纸上，质量负载量为1
‑
3mg/cm2，涂覆完成后将其在70℃的温度下干燥8
‑
15小时。
[0027]进一步地，粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)中的一种。
[0028]进一步地，碳纸上的质量负载量为2mg/cm2，干燥时间为12小时为最佳。
[0029]本专利技术的有益效果：
[0030]1、本专利技术采用一步水热法制备的VS4颗粒为尺寸为200nm左右的球形，rGO体现出三维网状结构；VS4颗粒均匀的附着在r
‑
GO形成的三维网状结构中；
[0031]2、以本专利技术所制备的VS4/rGO复合材料作为正极材料的水系锌离子电池在0.5Ag
‑1下呈现450.3mAh g
‑1的高比容量、优越的倍率性能和高电流密度下的长期稳定性(在10Ag
‑1的1000个周期后容量保留94％)等特征；
[0032]3、VS4改善了还原氧化石墨烯过度堆积的问题；同时还原氧化石墨烯也缓解了VS4纳米颗粒的团聚；
[0033]4、还原氧化石墨烯框架中均匀分散本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种VS4/rGO复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将氧化石墨烯分散于去离子水中形成氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5
‑
5mol/ml；步骤2、按照摩尔比钒源：硫源＝0.6
‑
1.2：0.6
‑
1.5的比例，将钒源和硫源溶于氧化石墨烯溶液中，搅拌形成均一的预混溶液；步骤3、搅拌下向步骤2形成的预混溶液中滴加氨水，直至溶液pH＝9，得到混合溶液；步骤4、将步骤3形成的混合溶液在140
‑
200℃的温度下反应24
‑
48小时；步骤5、待步骤4反应完成，冷却到室温后，将所得产物清洗冷冻干燥，得到VS4/rGO复合材料。2.根据权利要求1所述的一种VS4/rGO复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，氧化石墨烯的片径5
‑
10μm、层数1
‑
5层。3.根据权利要求1或2所述的一种VS4/rGO复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，采用超声分散，分散时间0.5
‑
1小时，氧化石墨烯水溶液的浓度0.8
‑
2mol/ml。4.根据权利要求1所述的一种VS4/rGO复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，钒源为正钒酸钠或偏钒酸钠，硫源为硫代乙酰胺或半胱氨酸。5.根据权利要求1或4所述的一种VS4/rGO复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，钒源与硫源的摩尔比...

【专利技术属性】
技术研发人员：李星，陈凯建，张磊磊，代书阁，单崇新，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：