一种镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法，包括如下步骤：步骤（1）将偏钒酸钠溶于水并调节pH为酸性，记为溶液A备用；步骤（2）将二水氯化铜溶于去离子水中，并向其中加入溶液A混合，记为溶液B备用；步骤（3）将苯甲酸溶于乙醇中，作为溶液C；步骤（4）将溶液B和溶液C混合，并加入DMF溶液，混合均匀后得到前驱体溶液；步骤（5）将所述前驱体溶液进行溶剂热反应，反应完成后洗涤干燥得到尺寸和形貌均一的水钒铜矿材料CuVOH。本发明专利技术采用简单的一步溶剂热法，合成了尺寸和形貌均一的微球水钒铜矿镁离子电池正极材料，使产品展现出良好的力学性能，制备工艺简便、成本低廉、电化学性能优异，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及镁离子电池
，具体涉及一种镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为储能系统已广泛应用于便携式电子设备和电子汽车。然而，锂资源供应的局限性和高成本仍制约着锂资源的广泛应用。镁离子电池因其资源丰富、成本低、安全性高的特性，将有望取代昂贵的锂电。然而，镁离子在插层型电极材料中的活性中心较少，导致镁离子的储存能力有限，且本身高的电荷半径也将导致镁离子与正极基体之间强的静电相互作用，使镁离子的固体扩散动力学缓慢，极化较大，严重影响镁离子电池正极材料的电化学性能。镁离子电池虽然具有较高的能量密度（150~300 Wh
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‑1），但是其功率密度低（小于1 kW
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‑1）,循环寿命差（通常小于1000圈）。这些都限制了镁离子电池技术的发展，急需制备高性能的镁离子电池正极材料以解决这些技术瓶颈问题。
[0003]目前，镁离子正极材料主要集中为过渡金属硫化物、过渡金属氧化物和聚阴离子型化合物这三大类。如专利CN 107946585 A 公开了一种水热
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烧结法制备掺杂硼酸镁镁离子电池正极材料的方法，该正极材料虽然提高了材料的电子电导率和离子电导率，但是循环性能依然较差（容量保持率虽然有90%以上，但是仅做了20圈的循环），放电容量仍旧较低（0.1C下最高初始放电容量仅为150 mAh
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‑1左右），非常低的能量密度（45 Wh
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‑1）和功率密度（0.15 kW
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‑1）。专利CN 111916700 A 公开了一种水热法制备纳米片和纳米线共混Na
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Mn
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O镁离子正极材料，该正极材料在50 mA
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‑1时，得到最高初始放电容量为175 mAh
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‑1，虽然相比一些镁离子正极材料已经有了较大提升，但是还远远无法满足电化学储能要求。此外，这些正极材料均存在扩散动力学缓慢、比容量低、循环稳定性差及低功率密度的问题，仍然制约着镁离子电池的发展与应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法，以解决现有技术镁离子电池正极材料扩散动力学缓慢、比容低、循环稳定性差以及低功率密度的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法，包括如下步骤：步骤（1）将偏钒酸钠溶于水并调节pH为酸性，记为溶液A备用；步骤（2）将二水氯化铜溶于去离子水中，并向其中加入溶液A混合，记为溶液B备用；步骤（3）将苯甲酸溶于乙醇中，作为溶液C；步骤（4）将溶液B和溶液C混合，并加入DMF溶液，混合均匀后得到前驱体溶液；其中，偏钒酸钠、二水氯化铜和苯甲酸的摩尔比为1:（8~11）:（17~22），水、乙醇和DMF的体积比
为1:1:1；步骤（5）将所述前驱体溶液进行溶剂热反应，反应完成后洗涤干燥得到尺寸和形貌均一的CuVOH。
[0006]本专利技术还提供了一种镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的应用，采用本专利技术所述方法制备得到镁离子电池层状水钒铜矿正极材料，所述镁离子电池层状水钒铜矿正极材料应用于镁离子电池、锂离子电池、锌离子电池和钠离子电池的制备。
[0007]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术采用简单的一步溶剂热法，合成了尺寸和形貌均一的微球水钒铜矿镁离子电池正极材料，制备得到的水钒铜矿为不规则微球结构，表面不平整，具有不同程度的层状突起，不仅可以为宏观电子提供快速的电子传输途径，还可以改善电极和电解质之间的渗透性，使产品展现出良好的力学性能；并且，本专利技术所述正极材料的制备工艺简便、成本低廉、电化学性能优异，在镁离子电池领域具有广阔的应用前景。
[0008]2、本专利技术制备得到的是结晶水插入层间的层状化合物水钒铜矿(Cu3V2O7(OH)2·
2H2O，简记为CuVOH，由V2O7柱和结晶水分子插入Cu3O6(OH)2层构成)，利用层状化合物水钒铜矿的结晶水分子对其层间进行修饰，屏蔽客体镁离子与晶格骨架之间的强静电相互作用力而构建赝电容储镁机制，缩短镁离子在正极材料表面的扩散路径、改善镁离子嵌入/脱出的动力学行为，为镁离子提供结构稳定的快速嵌入/脱出通道，解决镁离子电池正极材料目前存在的扩散动力学缓慢和比容量低的难题；而且，由于水钒铜矿正极材料主要通过赝电容机制储电，将其与活性炭负极组装为镁离子电池时，还可改善电极和电解质之间的渗透性、提高正极材料的有效比表面积，从而提升正极材料的比容量、循环稳定性和电池的功率密度，进而获得高功率密度和较高能量密度的电容型镁离子电池，且其具有超长的循环寿命。
[0009]3、本专利技术制备的水钒铜矿为镁离子正极材料，活性炭为负极材料组装成扣式电池，表现出了高比容量（电流密度为0.25 A
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‑1时，比容量为264 mAh
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‑
1 ）、高倍率性能（6C时比容量保持45%）；与碳负极组装的扣式电池，兼具高功率密度（30 kW
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kg
‑1）、高能量密度（103.0 Wh
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kg
‑1）和超长的的循环寿命（20000次循环后容量保持率为92%），库伦效率稳定在100%，展现出了优异的电化学性能。
附图说明
[0010]图1为实例1制备的水钒铜矿XRD分析图。
[0011]图2为实例1制备的水钒铜矿放大20000倍的SEM图。
[0012]图3为实例1制备的水钒铜矿放大50000倍的SEM图。
[0013]图4为实例2制备的水钒铜矿TEM图。
[0014]图5为实例1制备的水钒铜矿的N2吸附
‑
解吸等温线和孔径分布曲线。
[0015]图6为三电极体系扫描速率为0.4、0.8、1和2 mV
·
s
‑1的循环伏安曲线。
[0016]图7为三电极体系电流密度为0.25
‑
5 A
·
g
‑1的恒流充放电曲线。
[0017]图8为两电极体系电流密度为1
‑
15 A
·
g
‑1的恒电流充放电曲线（a）和功率密度与能量密度的关系图（b）。
[0018]图9为两电极体系恒定电流密度为10 A
·
g
‑1循环稳定性测试图。
具体实施方式
[0019]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。本领域技术人员应当知晓，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。因此，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1）将偏钒酸钠溶于水并调节pH为酸性，记为溶液A备用；步骤（2）将二水氯化铜溶于去离子水中，并向其中加入溶液A混合，记为溶液B备用；步骤（3）将苯甲酸溶于乙醇中，作为溶液C；步骤（4）将溶液B和溶液C混合，并加入DMF溶液，混合均匀后得到前驱体溶液；其中，偏钒酸钠、二水氯化铜和苯甲酸的摩尔比为1:（8~11）:（17~22），水、乙醇和DMF的体积比为1:1:1；步骤（5）将所述前驱体溶液进行溶剂热反应，反应完成后洗涤干燥得到尺寸和形貌均一的水钒铜矿材料CuVOH。2.根据权利要求1所述镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法，其特征在于，在步骤（1）中，偏钒酸钠溶液的浓度为0.05~0.15mol/L。3.根据权利要求1所述镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，通过加入盐酸将偏钒酸钠溶液的pH值调整至5~6。4.根据权利要求1所述镁离子电池层状水钒铜矿正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，二水氯化铜的浓度为0.02~0.06mol...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鸿乂，马秀芬，朱锡钦，刁江，谢兵，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：