一种正极材料制备方法、水系锌离子电池正极和应用技术

本发明专利技术公开了一种正极材料制备方法、水系锌离子电池正极和应用，将可溶性掺杂金属盐溶解于水中搅拌均匀；同时与加入H2O2溶液的V2O5水溶液搅拌均匀，将搅拌好的液体进行保温处理，待冷却至室温后离心洗涤干燥；将干燥后的固体与导电剂和粘结剂混合成正极浆料，涂覆成极片并干燥，最后将高纯锌箔、3mol L

【技术实现步骤摘要】
一种正极材料制备方法、水系锌离子电池正极和应用


[0001]本专利技术属于水系锌离子电池
，具体涉及一种正极材料制备方法、水系锌离子电池正极和应用。

技术介绍

[0002]在各种储能系统中，具有高能量密度和长循环寿命的锂离子电池主导着商用可充电电池市场，并且在便携式电子产品和电动汽车领域取得了巨大的成功。然而，由于大规模部署上受到锂资源有限、环境影响和易燃有机电解质引起的安全隐患的困扰，它们的发展受到极大阻碍。因此，一些元素储量丰富和成本低廉的水系金属离子电池引起了研究者们的兴趣，其中水系锌离子电池的研究热度近年来日益增长。与非水系电解质的毒性和易燃性相反，水系电解质可以是无毒和不可燃的，最大限度地减少对环境的负面影响和安全隐患。此外，水系电解质的离子电导率比有机电解质的离子电导率高几个数量级，有利于电池的高倍率性能和高功率密度。而金属锌的主要优势还包括高理论容量(820mAh/g)；相对较低的氧化还原电位(
‑
0.76V vs.标准氢电极)，且在中性和弱酸性的溶液中具有较高的电化学稳定性。
[0003]目前锌离子电池的放电容量以及能量密度主要取决于正极材料。尽管锌离子的离子半径相对较小但是二价锌离子的高电荷密度引起的水分子共插入的屏蔽效应、大原子质量和离子与正极晶体结构之间的强静电相互作用导致离子传输动力学和扩散过程缓慢，极大影响了电池性能。因此，寻找具有优异电化学性能的合适正极是一项非常具有挑战性的任务。作为锌离子插入主体的正极材料的开发仍处于起步阶段。迄今为止，已经报道了四种主要类别，包括普鲁士蓝类似物(PBA)、锰氧化物、钒基化合物和有机物作为水系锌离子电池的正极。
[0004]上述体系中以五氧化二钒为代表的钒基化合物表现出高容量、高倍率能力，然而其不稳定的结构和较差的离子扩散动力学导致了较差的循环性能和倍率能力。如何通过对五氧化二钒改性获得高容量以及稳定的循环能力的正极材料成为研究者们广泛思考的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种正极材料制备方法、水系锌离子电池正极和应用，制备的双离子共掺杂五氧化二钒正极材料的比容量高，循环性能好，成本低廉且环境友好。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种正极材料制备方法，将V2O5粉末和可溶性掺杂金属盐混合后加入H2O2溶液并搅拌至反应结束，得到混合溶液；将混合溶液进行水热反应，待自然冷却至室温后收集产物，依次用去离子水和无水乙醇进行离心洗涤；将离心洗涤后的样品经真空干燥得到双离子共掺杂五氧化二钒正极材料。
[0008]具体的，可溶性掺杂金属盐包括两种，两种可溶性掺杂金属盐的摩尔比为1:(1～5)。
[0009]进一步的，两种可溶性掺杂金属盐与V2O5粉末的摩尔比为1:(8～12)。
[0010]具体的，可溶性掺杂金属盐为乙酸镍，乙酸锌，乙酸锰，乙酸镁，乙酸锂，乙酸钠，乙酸钙中的一种或几种。
[0011]具体的，混合溶液中V2O5的浓度为0.05～0.09mol/L。
[0012]具体的，水热反应的温度为180～220℃，时间为46～50h。
[0013]具体的，离心洗涤的次数为2～5次。
[0014]具体的，真空干燥的时间为8～12h；温度为80～90℃。
[0015]本专利技术的另一技术方案是，一种水系锌离子电池正极，包括双离子共掺杂五氧化二钒正极材料，导电剂和粘结剂，双离子共掺杂五氧化二钒正极材料，导电剂和粘结剂的质量比为(7～8)：(1～2)：1。
[0016]本专利技术的另一技术方案是，水系锌离子电池正极在扣式电池中的应用。
[0017]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0018]本专利技术一种正极材料制备方法，通过对五氧化二钒进行金属离子预嵌入改性，既扩大了五氧化二钒的层间距，同时由于金属离子的协同作用，获得了具有优异电化学性能的水系锌离子电池材料，相比于现有电极，不仅具有极高的比容量，同时还在较低掺杂量的情况下获得了良好的循环性能和倍率性能，极大的降低了成本。
[0019]进一步的，通过两种可溶性掺杂金属盐引入了两种金属掺杂离子，共同嵌入层状五氧化二钒中扩大了层间距便于电池在充放电过程中锌离子的脱嵌，同时两种金属离子也会形成紧密的联系稳固了掺杂后形成的结构，在锌离子的脱嵌过程中减少了层状结构塌陷导致活性物质流失电池容量下降的问题；可溶性掺杂金属盐的摩尔比为1：(1～5)的主要原因在于经过大量实验以及XRD数据证明这一比例下生成了稳定的晶体结构，若其中一种掺杂量过多会产生电池容量较低或长循环性能较差的问题，且由于掺杂金属盐的不同需要适当调整比例。
[0020]进一步的，设置两种可溶性掺杂金属盐与V2O5粉末的摩尔比主要原因是实验数据证明超过这一比例范围无法形成纯相，在XRD数据中产生了明显的杂峰，影响了电池性能，过低的比例范围下部分五氧化二钒中未嵌入金属离子，过高的比例范围下金属离子会破坏了原有的层状结构。
[0021]进一步的，可溶性掺杂金属盐为乙酸镍，乙酸锌，乙酸锰，乙酸镁，乙酸锂，乙酸钠，乙酸钙中的一种或几种的主要原因在于考虑到部分可溶性掺杂金属盐成本以及实验数据证明这些可溶性金属盐对提升电池电化学性能有明显的作用。
[0022]进一步的，V2O5的浓度为0.05～0.09mol/L的主要原因在于综合成本及实验数据下发现在这一范围内配合可溶性掺杂金属盐摩尔比具有较好的电化学性能表现。
[0023]进一步的，水热反应时间及温度考虑到了实验设备及实验效率等因素，同时在这一范围下可合成较少或无杂相的正极材料。
[0024]进一步的，离心洗涤的次数为2～5次主要原因在于尽可能洗涤反应后溶液中残留的的杂质获取纯净的产物。
[0025]进一步的，真空干燥的温度及时间主要考虑到了实验效率及生成产物的干燥程度
方便接下来的研磨等操作，同时实验数据证明这一范围下不会破坏生成产物晶体结构。
[0026]一种水系锌离子电池正极，双离子共掺杂五氧化二钒正极材料，导电剂和粘结剂的质量比主要考虑到了在这一比例范围下混合的正极浆料粘稠度适中可均匀涂布在集流体上，不会造成粘度过高或过低的问题，且该比例下的导电剂在提高电子电导率，降低电池极化发挥了重要作用。
[0027]综上所述，本专利技术合成步骤简单并且能够大批量生产，所用原料价格低廉，有望实现工业化应用。
[0028]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0029]图1为实施例1制备得到的材料扫描电镜(SEM)图；
[0030]图2为实施例1和对比例1制备得到的材料X射线衍射(XRD)图；
[0031]图3为实施例1和对比例1制备得到的材料组装扣式电池循环性能图；
[0032]图4为实施例1和对比例1制备得到的材料组装扣式电池倍率性能图。
具体实施方式
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正极材料制备方法，其特征在于，将V2O5粉末和可溶性掺杂金属盐混合后加入H2O2溶液并搅拌至反应结束，得到混合溶液；将混合溶液进行水热反应，待自然冷却至室温后收集产物，依次用去离子水和无水乙醇进行离心洗涤；将离心洗涤后的样品经真空干燥得到双离子共掺杂五氧化二钒正极材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可溶性掺杂金属盐包括两种，两种可溶性掺杂金属盐的摩尔比为1:(1～5)。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，两种可溶性掺杂金属盐与V2O5粉末的摩尔比为1:(8～12)。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，可溶性掺杂金属盐为乙酸镍，乙酸锌，乙酸锰，乙酸镁，乙酸锂，乙酸钠，乙酸钙中的一种或几种。...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晨亮，王鹏飞，韩晓刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：