石墨烯复合钾硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料及制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯复合钾与硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料。本发明专利技术还公开了一种石墨烯复合钾与硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料的制备方法，包括以下步骤：将钒源、碳源、钠源、硅源、钾源和磷源依次溶解在去离子水中，采用水热法制备凝胶状的前驱体，将前驱体与石墨烯混合，搅拌，干燥，研磨，煅烧，获得纳米级Na3‑

【技术实现步骤摘要】
石墨烯复合钾硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料及制备和应用


[0001]本专利技术涉及纳米材料与电化学
更具体地说，本专利技术涉及一种石墨烯复合钾硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料及制备和应用。

技术介绍

[0002]电池作为一种绿色储能器件备受关注，其中锂离子电池(LIBs)由于其高安全性、高能量密度、长寿命等优点已经广泛应用于日常生活当中。然而随着对LIBs需求量日益增大以及地球中锂资源的匮乏，LIBs已经无法满足不断增长的市场需求，开发高性能电池代替LIBs是十分必要且重要的，钠离子电池(SIBs)也成为能量存储和转换领域的研究热点。钠具有与锂相似的理化性质，且在地球上的丰富度远远高于锂元素。然而，较大钠离子半径在电池充放电过程中存在脱嵌困难并影响主体材料的结构稳定性，限制了它的应用和发展。
[0003]磷酸钒钠作为聚阴离子中的代表，拥有高度开放的三维NASICON结构以及大容量和易于制备的优点，而引起了广大研究人员的研究兴趣。磷酸钒钠拥有高热稳定性、高功率密度，被认为有希望成为SIBs的候选者。然而，它固有的较低的电导率限制了它的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
[0005]本专利技术还有一个目的是提供一种石墨烯复合钾与硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料，通过离子掺杂和石墨烯复合两种手段来提高其导电性，本专利技术以K
+
部分取代磷酸钒钠中的Na位，以Si
4+
部分取代磷酸钒钠中的P位，实现对磷酸钒钠进行双掺杂，不仅可以增强结构的稳定性，扩大钠离子迁移的通道，还可以提高磷酸钒钠的导电性。本专利技术还有一个目的是提供一种石墨烯复合钾与硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料的制备方法，通过水热法将石墨烯与钾、硅共掺杂的磷酸钒钠进行复合，进一步提高磷酸钒钠的的导电性，以获得拥有高性能的磷酸钒钠正极材料，以使其成为钠离子电池的潜在应用材料。
[0006]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料，所述复合材料的化学式为Na3‑
x
K
x
V2(PO4)3‑
y
(SiO4)
y
@rGO(0＜x＜1,0＜y＜0.2)。
[0007]优选的是，所述复合材料的颗粒尺寸为100
‑
500nm。
[0008]本专利技术提供一种石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料的制备方法，包括以下步骤：将钒源、碳源、钠源、硅源、钾源和磷源依次溶解在去离子水中，采用水热法制备凝胶状的Na3‑
x
K
x
V2(PO4)3‑
y
(SiO4)
y
(0＜x＜1,0＜y＜0.2)前驱体，将前驱体与石墨烯混合，搅拌，干燥，研磨，煅烧，获得纳米级Na3‑
x
K
x
V2(PO4)3‑
y
(SiO4)
y
@rGO(0＜x＜1,0＜y＜0.2)颗粒。
[0009]具体的是，所述钒源、所述钠源、所述硅源、所述钾源和所述磷源的摩尔比例为2:3
‑
x:y:x:3
‑
y，其中0＜x＜1,0＜y＜0.2。
[0010]具体的是，所述钒源和所述碳源的摩尔比例为1:1～2；
[0011]所述前驱体与所述石墨烯混合后，所述石墨烯的含量为1～5mg/mL。
[0012]具体的是，所述钒源为三异酰丙酮化钒或偏钒酸铵中的至少一种；
[0013]所述碳源为草酸或柠檬酸中的至少一种；
[0014]所述钠源为碳酸钠或碳酸氢钠中的至少一种；
[0015]所述硅源为硅酸钠或原硅酸四乙酯中的至少一种；
[0016]所述钾源为碳酸钾或磷酸二氢钾中的至少一种；
[0017]所述磷源为磷酸二氢铵。
[0018]具体的是，所述水热法的反应温度为150～200℃、反应时间为15～30h。
[0019]具体的是，所述干燥的温度为60～120℃、时间为3～10h。
[0020]具体的是，所述煅烧的设备为管式炉；
[0021]所述煅烧的氛围为Ar/H2或是N2/H2；
[0022]所述煅烧分段进行，第一段温度为350～500℃、时间为3～5h，第二段温度为600
‑
900℃、时间为6
‑
10h。
[0023]本专利技术提供一种石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料及其制备方法制备得到的石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料在制备钠离子电池正极活性材料的应用。
[0024]相比于现有技术，本专利技术至少包括以下有益效果：
[0025]本专利技术制备的石墨烯复合钾、硅掺杂磷酸钒钠复合材料，通过双离子掺杂，有效地提高了材料导电性，扩大了离子迁移通道，增强了结构稳定性；与石墨烯进行复合，进一步提高了磷酸钒钠的导电性。将其应用在钠离子电池正极材料时，其电化学性能表现优异。
[0026]利用水热法，将钒源、钠源、硅源、钾源和磷源按顺序加入溶液中，有利于与碳源进行更好的络合反应，形成更好的三维网络结构的凝胶，最后成功合成了石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠材料。
[0027]本专利技术工艺简单，符合绿色化学的要求，对设备要求低，有利于钠离子电池的市场化应用。
[0028]该复合材料作为钠离子正极材料，电压区间在2.5～4.0V，在0.5C、1C、5C、10C、16C、20C和40C倍率下进行恒电流充放电测试，其放电比容量分别可达115、110、100、94、89、86和113mAh g
‑1，表现出优异的倍率性能。
[0029]在0.5C下循环，首圈比容量高达118.8mAh g
‑1，首圈库伦效率为94.9％，在20C高倍率下进行充放电，循环1000次后，放电比容量为69.59mAh g
‑1，容量保持率为76.8％，表现出优异的循环性能和长寿命，是高功率、高能量密度离子电池的潜在应用材料。
[0030]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0031]图1是本专利技术实施例1的石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠复合材料与对比例1的石墨烯复合磷酸钒钠复合材料的结构示意图；
[0032]图2是本专利技术实施例1的石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠复合材料的XRD图；
[0033]图3是本专利技术实施例1的石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠复合材料的TEM图；
[0034]图4是本专利技术实施例1的石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠复合材料的EDS mapping图；
[0035]图5是本专利技术实施例1的石墨烯复合钾、硅共掺杂磷酸钒钠复合材料在0.5C低倍率下的电池循环曲线图；
[0036]图6是本专利技术实施例1的石墨烯复合钾本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯复合钾与硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料，其特征在于，所述复合材料的化学式为Na3‑
x
K
x
V2(PO4)3‑
y
(SiO4)
y
@rGO(0＜x＜1,0＜y＜0.2)。2.如权利要求1所述的石墨烯复合钾与硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料，其特征在于，所述复合材料的颗粒尺寸为100
‑
500nm。3.如权利要求1或2所述的石墨烯复合钾与硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将钒源、碳源、钠源、硅源、钾源和磷源依次溶解在去离子水中，采用水热法制备凝胶状的Na3‑
x
K
x
V2(PO4)3‑
y
(SiO4)
y
(0＜x＜1,0＜y＜0.2)前驱体，将前驱体与石墨烯混合，搅拌，干燥，研磨，煅烧，获得纳米级Na3‑
x
K
x
V2(PO4)3‑
y
(SiO4)
y
@rGO(0＜x＜1,0＜y＜0.2)颗粒。4.如权利要求3所述的石墨烯复合钾与硅共掺杂磷酸钒钠的复合材料的制备方法，其特征在于，所述钒源、所述钠源、所述硅源、所述钾源和所述磷源的摩尔比例为2:3
‑
x:y:x:3
‑
y，其中0＜x＜1,0＜y＜0...

【专利技术属性】
技术研发人员：周成冈，孙睿敏，窦明月，韩波，夏开胜，高强，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：