一种三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极及制备方法和应用，电极包括碳纳米纤维以及分布在碳纳米纤维上的V2O3；V2O3由纳米片组装形成三维海胆状，以挂珠式的形貌嵌在碳纳米纤维的表面；以溶剂热法合成的三维海胆状VO2为钒源，将其溶于聚丙烯腈溶液得到前驱体溶液，将前驱体溶液通过静电纺丝法得到聚合物纤维，并将聚合物纤维在惰性气氛中进行预氧化和碳化处理，得到复合柔性电极。本发明专利技术的V2O3以挂珠式的形貌均匀分布在碳纤维的表面，形成了完整的导电网络，提高了复合电极的导电性，减少了Li

【技术实现步骤摘要】
一种三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极及制备方法和应用


[0001]本专利技术属于储能材料，尤其涉及一种三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，锂离子电池因其能量密度高、安全性高、环境友好等特点，广泛应用于智能电网、大功率电动汽车、便携式电子产品等领域。然而石墨作为锂离子电池(LIBs)阳极材料的理论比容量(372mAh g
‑1)较低，无法满足下一代锂基电池的需求，这极大限制了锂离子电池能量密度的进一步提升从而影响未来储能技术更广泛的应用。钒氧化物(如V2O3、VO2(B)、V2O5等)由于其成本低、比容量大、资源丰富等特点，成为人们日益关注的层状晶体化合物，它们具有开放的结构和多种价态(+5、+4、+3)，可以实现锂的可逆插层/脱嵌。其中，相对于其他高价钒氧化物，低价V2O3具有较低的毒性，也将受到更多的关注。
[0003]但V2O3本身电导率差、充放电过程体积变化大等缺点限制了其倍率性能和循环稳定性。此外，传统电极容易与集流体分离，金属集流体在反复弯曲过程中发生变形，降低了锂离子电池的电化学性能。并且传统电极无法满足柔性、弯曲和可折叠等使用功能，这对于实现工业化及柔性锂电池发展是极为不利的。因此探索一种工艺简单、省时高效且具有高电化学性能的柔性电极变得尤为重要。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种降低充放电过程体积膨胀的高导电性三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极；本专利技术的第二目的在于提供上述复合柔性电极的制备方法；本专利技术的第三目的在于提供上述复合柔性电极在锂离子电池中作为负极材料的应用。
[0005]技术方案：本专利技术的一种三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极，包括碳纳米纤维以及分布在碳纳米纤维上的V2O3；所述V2O3由纳米片组装形成三维海胆状，以挂珠式的形貌嵌在碳纳米纤维的表面。
[0006]进一步的，所述V2O3的直径为1～2μm，所述碳纳米纤维的直径为100～300nm。
[0007]本专利技术还保护所述的三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)按反应摩尔比称取V2O5和H2C2O4·
2H2O溶于去离子水中搅拌直到形成深蓝色溶液，然后继续加入乙醇、水和过氧化氢溶液，反应，然后冷却至室温，抽滤、洗涤、干燥后得到VO2粉体；
[0009](2)称取聚丙烯腈加入到N,N
‑
二甲基甲酰胺，搅拌直至形成均匀黄色溶液，将VO2粉体加入到步骤(2)制得的黄色溶液中，继续搅拌，得到前驱体溶液，并将所得前驱体溶液进行除泡处理，待用；
[0010](3)将步骤(2)制得的前驱体溶液进行静电纺丝，得到V2O3@PAN聚合物纤维；
[0011](4)将制备的V2O3@PAN聚合物纤维先在空气气氛中进行预氧化，然后在氩气气氛中
进行碳化处理，最后冷却至室温，制得三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极。
[0012]进一步的，所述步骤(2)中，VO2粉体与聚丙烯腈的质量比为0.3～1.5：1。步骤(2)中，VO2粉体必须在形成均一黄色溶液后方可加入，若优先在溶液中加入VO2，再加入聚丙烯腈，则纤维将覆盖住V2O3，无法得到挂珠式V2O3@碳纳米纤维。VO2粉体与聚丙烯腈的用量比存在特定的关系，若VO2质量过高，则会阻碍交织碳纤维的形成，使碳纤维发生断裂现象；若纺丝液的中聚丙烯腈浓度太低，会导致纺丝液粘度不够，纤维上无法出现串珠。
[0013]进一步的，所述步骤(3)中，静电纺丝的施加电压为10～15kV，流速为0.5～0.7mL
·
h
‑1。实际操作中，金属针头到铝箔收集器之间的距离为15cm，相对湿度低于40％，温度不高于30℃。若纺丝环境湿度过高，纺丝射流在空气中吸湿提前固化并且纤维上电荷中和，导致纤维带电量下降，出现针尖挂丝、飘丝现象。
[0014]进一步的，所述步骤(4)中，预氧化温度为230～280℃，预氧化时间为2～3h。
[0015]进一步的，所述步骤(4)中，碳化温度为600～700℃，碳化时间为5～6h。
[0016]进一步的，所述步骤(1)中，V2O5和H2C2O4·
2H2O的反应摩尔比为1：3；乙醇、水和过氧化氢溶液的体积比为40：5：2；反应温度为160～200℃，反应时间为2～4h。反应摩尔比1：3用于形成均一的VOC2O4蓝色溶液，
[0017]进一步的，所述步骤(2)中，除泡处理具体是指将静电纺丝溶液需在真空干燥器中除泡1～2h。若溶液存在气泡，会导致纺丝的纤维出现节点或断裂。
[0018]本专利技术还进一步保护所述的三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极在锂离子电池中作为制备负极材料的应用。
[0019]本专利技术的制备原理为：参见图1，以V2O5为钒源，以草酸为还原剂，以乙醇和水作为溶剂，通过溶剂热法合成了具有三维结构的海胆状VO2；然后将VO2与PAN溶液进行混合制备静电纺丝溶液，并通过静电纺丝制备了三维VO2@PAN薄膜，然后将其置于空气中预氧化、氩气中碳化处理。一方面，VO2发生还原反应得到V2O3，V2O3的晶体结构为菱形刚玉型结构，其中钒原子形成三维V
‑
V链，三维V
‑
V框架可以组成开放隧道结构；另一方面，聚丙烯腈被转化为碳纳米纤维。制备的三维海胆状V2O3具有大的比表面积和丰富的活性位点，可以促进锂离子的嵌入和脱嵌；同时，V2O3以挂珠式的形貌均匀分布在碳纤维的表面，形成了完整的导电网络。
[0020]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的显著优点为：(1)本专利技术通过简单的静电纺丝法制备了一种三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极，V2O3三维海胆结构的构建可以增大电极材料与电解液的接触面积，提供更多的活性位点，还可以有效地避免材料在循环过程中的团聚，保持三维结构的完整，提高了电极材料的导电性和反应动力学，提高了材料的大电流长时间循环性能和倍率性能。(2)本专利技术的V2O3以挂珠式的形貌均匀分布在碳纤维的表面，形成了完整的导电网络，提高了复合电极的导电性，减少了Li
+
的扩散路径，缓解了充放电过程中的体积膨胀，提高了材料的稳定性。(3)本专利技术采用静电纺丝法合成的V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极作为锂离子电池负极材料，不仅可以提高材料导电性和结构稳定性，同时解决了循环过程中容量快速衰减的问题，并且展现出良好的柔性、可弯折性，为柔性锂离子电池的应用提供了基础。
附图说明
[0021]图1为三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极的制备流程框图；
[0022]图2为实施例1制得的V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极的照片图；
[0023]图3为实施例1制得的V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极的SEM图；
[0024]图4为实施例1制得的V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极的TEM图；
[0025]图5为实施例6中V2O本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极，其特征在于：包括碳纳米纤维以及分布在碳纳米纤维上的V2O3；所述V2O3由纳米片组装形成三维海胆状，以挂珠式的形貌嵌在碳纳米纤维的表面。2.根据权利要求1所述的三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极，其特征在于：所述V2O3的直径为1~2 μm，所述碳纳米纤维的直径为100~300 nm。3.权利要求1或2所述的三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）按反应摩尔比称取V2O5和H2C2O4·
2H2O溶于去离子水中搅拌直到形成深蓝色溶液，然后继续加入乙醇、水和过氧化氢溶液，反应，然后冷却至室温，抽滤、洗涤、干燥后得到VO2粉体；（2）称取聚丙烯腈加入到N,N
‑
二甲基甲酰胺，搅拌直至形成均匀黄色溶液，将VO2粉体加入到步骤（2）制得的黄色溶液中，继续搅拌，得到前驱体溶液，并将所得前驱体溶液进行除泡处理，待用；（3）将步骤（2）制得的前驱体溶液进行静电纺丝，得到V2O3@PAN聚合物纤维；（4）将制备的V2O3@PAN聚合物纤维先在空气气氛中进行预氧化，然后在氩气气氛中进行碳化处理，最后冷却至室温，制得三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极。4.根据权利要求3所述的三维V2O3@碳纳米纤维复合柔性电极的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱孔军，梁彭花，饶煜，张杰，武猛，王婧，严康，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：