一种植酸-五氧化二钒复合材料及其制备方法、电极和电池技术

本发明专利技术属于复合材料技术领域，具体涉及一种植酸

【技术实现步骤摘要】
一种植酸
‑
五氧化二钒复合材料及其制备方法、电极和电池


[0001]本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种植酸
‑
五氧化二钒复合材料及其制备方法、电极和电池。

技术介绍

[0002]先进的可充电电池对于大规模储能电网和日常生活中的便携式电子设备具有重要意义。如今，锂离子电池(LIBs)是我们日常生活中必不可少的能量存储设备，在便携式电子设备中占主导地位。但是，由于锂丰度不足，成本高，安全性差和易燃的有机电解质，对于大规模应用仍然是一个挑战。相比之下，可充电水系电池具有比非水电解质更高的安全性、更低的损耗和更高的离子电导率以及对环境的友好性。这些优势使该系统适合于储能的大规模应用。其中水系锌离子可充电电池由于Zn负极优异的性能、原料丰富、低成本、在水中的化学稳定性，且具有高理论容量，低氧化还原电势而成为目前研究的热点。
[0003]重量能量和功率密度以及ZIBs的成本很大程度上取决于正极材料。正极结构的稳定性和完整性对整个电池系统的循环稳定性具有至关重要的意义。设计和开发具有存储容量大，放电电位高以及具有稳定且能够快速脱嵌的晶体结构的正极材料一直是高性能ZIBs开发中的巨大挑战。迄今为止，较为合适作为锌离子电池正极材料的有锰基化合物，钒基材料，普鲁士蓝及其类似物以及有机氧化还原活性化合物。其中V2O5作为钒基材料中典型的材料，由于其可调控的层状结构及钒具有多个氧化还原态而被广泛研究。V2O5正极一般具有较高的比容量，但它在水溶液电解质中由于的结构的不稳定性和化学溶解导致循环性能变差。理论上，V2O5的层间距远大于锌离子半径，但锌离子通常以水合锌离子的形式存在，因此锌离子在的V2O5层间脱嵌变得困难，这会导致充放电速度降低。且在经过重复的脱嵌过程后，V2O5层结构开始瓦解，这些会导致电池容量严重下降。
[0004]为了增强反应动力学，通常在V2O5层间嵌入水分子、金属阳离子如Li
+
、Na
+
、K
+
、Ca
2+
、Mg
2+
、Al
3+
，从而达到增大层间距、提高结构的稳定性。但是在Zn
2+
重复多次的脱嵌过程中，不可避免地造成主体材料的结构瓦解。除阳离子外，还可以用共轭导电聚合物作插层材料，如聚苯胺、聚吡咯等，以增强层状正极材料的性能。目前，虽然钒基在水系锌离子中的应用被逐渐开发，但是现有技术中，其作为水系锌离子正极材料其比容量有待提高，合成方法也有待简化。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种植酸
‑
五氧化二钒复合材料，该复合材料可有效克服/改善现有五氧化二钒用作水系锌离子电池正极材料时，在循环使用过程中锌离子脱嵌困难、结构稳定性差所导致的比容量和循环性能较差的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种植酸
‑
五氧化二钒复合材料，所述复合材料为片层材料，植酸包覆于五氧化二钒的外表面并插层于五氧化二钒的相邻层之间。
[0007]优选地，所述复合材料中相邻两层五氧化二钒的层间距为1.0～1.5nm。
[0008]优选地，所述复合材料呈长方体状，所述复合材料的宽度为0.8～1.1μm，长度为1～2μm，平均厚度为0.6μm。
[0009]优选地，包覆于所述五氧化二钒外表面的植酸的厚度为5～30nm。
[0010]优选地，所述复合材料中五氧化二钒与植酸的摩尔比为0.2～0.3。
[0011]优选地，所述植酸与五氧化二钒的钒氧键交联连接。
[0012]本专利技术还提供了如上所述的植酸
‑
五氧化二钒复合材料的制备方法，所述制备方法采用如下技术方案：
[0013]包括下述步骤：
[0014]步骤(1)：将植酸、五氧化二钒、过氧化氢和水混合，搅拌得到混合溶液；
[0015]步骤(2)：将步骤(1)所得混合溶液进行水热反应；
[0016]步骤(3)：水热反应结束后，离心、洗涤、干燥即得所述植酸
‑
五氧化二钒复合材料；
[0017]优选地，所述步骤(1)中的五氧化二钒与植酸的摩尔比为0.02～0.3。
[0018]优选地，所述步骤(2)中水热反应的温度为120～200℃，反应时间为10～48h。
[0019]优选地，所述步骤(3)中洗涤为超声洗涤；所述干燥为真空干燥；
[0020]优选地，所述离心的条件为：离心速度为6000～10000r/min，离心持续3～8min；
[0021]再优选地，所述超声洗涤时超声的功率为80～120W，频率为20～30kHz，时间为10～15min；洗涤的溶剂为去离子水或乙醇；
[0022]再优选地，所述真空干燥的条件为：负压为0.06～0.08MPa，温度为50～100℃，干燥时间为8～20h。
[0023]优选地，所述步骤(1)包括：
[0024]a.将过氧化氢溶液与去离子水按照体积比为0.1～0.5的比例搅拌混合得到过氧化氢水溶液，所述过氧化氢溶液中过氧化氢的质量分数为25～35％；
[0025]b.将五氧化二钒加入到过氧化氢水溶液中，搅拌，得到五氧化二钒和过氧化氢的混合溶液；
[0026]c.将植酸与去离子水按照体积比为0.001～0.1的比例混合搅拌得到植酸水溶液；
[0027]d.向五氧化二钒和过氧化氢的混合溶液中滴加植酸水溶液，搅拌得到所述步骤(1)的混合溶液；
[0028]优选地，所述步骤a、b、c或d中搅拌的温度独立地选自15～30℃，所述步骤a的搅拌时间为10～20min；所述步骤b和d的搅拌时间独立地选自5～20min；所述步骤c的搅拌时间为1～10min。
[0029]本专利技术还提供了一种电极，所述电极采用如下技术方案：所述电极的原料或有效成分包括如上所述的植酸
‑
五氧化二钒复合材料。
[0030]本专利技术还提供了一种电池，所述电池采用如下技术方案：所述电池包括如上所述的植酸
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五氧化二钒复合材料或如上所述的电极；
[0031]优选地，所述电池为水系锌离子电池。
[0032]有益效果：
[0033]1、本专利技术的植酸
‑
五氧化二钒复合材料中，通过对五氧化二钒进行植酸的插层，不仅可以进一步拓宽离子传输通道，并且植酸在五氧化二钒层的外部包覆，使得当本专利技术的
复合材料用于水系锌离子电池正极材料时，可以提高植酸
‑
五氧化二钒复合材料的结构稳定性，从而有效提高了正极材料的循环性能，最终实现水系锌离子电池性能的大幅提升。
[0034]2、本专利技术的植酸
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五氧化二钒复合材料用作水系锌离子电池的正极材料时，倍率变换性能好，电流密度从5A/g恢复至0.1A/g，该植酸
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五氧化二钒复合材料的同倍率容量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种植酸
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五氧化二钒复合材料，其特征在于，所述复合材料为片层材料，植酸包覆于五氧化二钒的外表面并插层于五氧化二钒的相邻层之间。2.如权利要求1所述的植酸
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五氧化二钒复合材料，其特征在于，所述复合材料中相邻两层五氧化二钒的层间距为1.0～1.5nm；优选地，所述复合材料呈长方体状，所述复合材料的宽度为0.8～1.1μm，长度为1～2μm，平均厚度为0.6μm。3.如权利要求1所述的植酸
‑
五氧化二钒复合材料，其特征在于，包覆于所述五氧化二钒外表面的植酸的厚度为5～30nm。4.如权利要求1所述的植酸
‑
五氧化二钒复合材料，其特征在于，所述复合材料中五氧化二钒与植酸的摩尔比为0.2～0.3；优选地，所述植酸与五氧化二钒的钒氧键交联连接。5.如权利要求1～4中任意一项所述的植酸
‑
五氧化二钒复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下述步骤：步骤(1)：将植酸、五氧化二钒、过氧化氢和水混合，搅拌得到混合溶液；步骤(2)：将步骤(1)所得混合溶液进行水热反应；步骤(3)：水热反应结束后，离心、洗涤、干燥即得所述植酸
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五氧化二钒复合材料；优选地，所述步骤(1)中五氧化二钒与植酸的摩尔比为0.02～0.3。6.如权利要求5所述的植酸
‑
五氧化二钒复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水热反应的温度为120～200℃，反应时间为10～48h。7.如权利要求5所述的植酸
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五氧化二钒复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中洗涤为超声洗涤；...

【专利技术属性】
技术研发人员：程浩艳，胡浩，袁彤彤，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：