正极活性材料及其制备方法和应用技术

本申请提供了一种正极活性材料，所述正极活性材料包括至少一个片状结构，所述片状结构包括多个颗粒，所述颗粒包括复合物以及包裹所述复合物的碳层，所述复合物包括三氧化二钒和碳化钒。其中，三氧化二钒和碳化钒形成的异质结构加速了颗粒内部的电子和离子传输，碳化钒和碳层的构建还可以明显提高导电性，并且片状结构也缩短了离子传输路径，因而获得具有倍率性能优异、可逆容量高和循环寿命长的正极活性材料。本申请还提供了正极活性材料的制备方法和应用。和应用。和应用。

【技术实现步骤摘要】
正极活性材料及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及电池
，尤其涉及正极活性材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锌离子电池因其较低的氧化还原电位、高比容量、价格低廉等优势，受到了研究人员的广泛关注。其中，钒基氧化物具有多电子的氧化还原化学性质，为制造高能量密度的锌离子电池提供了潜在的可能性。但是，锌离子很难在钒基氧化物内部进行快速存储，从而限制了钒基氧化物在锌离子电池中的使用。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本申请提供了一种正极活性材料及其制备方法、正极和锌离子电池，该正极活性材料具有优异的倍率性能、可逆容量和循环寿命，有利于其在电池中的应用。
[0004]第一方面，本申请提供了一种正极活性材料，所述正极活性材料包括至少一个片状结构，所述片状结构包括多个颗粒，所述颗粒包括复合物以及包裹所述复合物的碳层，所述复合物包括三氧化二钒和碳化钒。
[0005]可选的，多个所述片状结构形成花簇状。
[0006]进一步的，所述花簇状的横向尺寸为3μm
‑
5μm。
[0007]可选的，所述片状结构具有通孔。进一步的，所述通孔的孔径为0.8nm
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8nm。
[0008]可选的，所述片状结构的厚度为20nm
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40nm。
[0009]可选的，所述片状结构的宽度为0.8μm
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1.2μm。
[0010]第二方面，本申请提供了一种正极活性材料的制备方法，包括：钒盐和碳源加入乙醇溶液中形成混合液，其中所述碳源包括均苯三酸和对苯二甲酸中的至少一种，所述乙醇溶液中乙醇和水的体积比为1.8
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2.1；所述混合液加热后得到前驱体；在惰性气氛下，将所述前驱体进行煅烧得到正极活性材料，所述煅烧的温度为720℃
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850℃，所述煅烧的时间大于或等于8h，所述正极活性材料包括至少一个片状结构，所述片状结构包括多个颗粒，所述颗粒包括复合物以及包裹所述复合物的碳层，所述复合物包括三氧化二钒和碳化钒。
[0011]可选的，所述加热的温度为150℃
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180℃，所述加热的时间为18h
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30h。
[0012]可选的，所述混合液中所述钒盐的质量浓度为8.6g/L
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9.8g/L。
[0013]可选的，所述混合液中所述碳源的质量浓度为5.2g/L
‑
5.8g/L。
[0014]可选的，所述钒盐包括乙酰丙酮钒、乙酰丙酮氧钒和氯化钒中的至少一种。
[0015]第三方面，本申请提供了一种正极，包括第一方面所述的正极活性材料或第二方面所述的制备方法制得的正极活性材料。
[0016]第四方面，本申请提供了一种锌离子电池，包括第三方面所述的正极。
[0017]本申请提供的正极活性材料中具有碳包裹三氧化二钒和碳化钒的颗粒，三氧化二钒和碳化钒形成的异质结构加速了锌离子在颗粒内部的电子和离子传输，碳化钒以及碳层的设置可以明显提高导电性，并且片状结构缩短了离子传输路径，从而获得具有优异倍率
性能、可逆容量高和循环寿命长的正极活性材料。该正极活性材料的制备方法简单、操作方便、制备成本低、制备效率高，有利于正极活性材料的使用。具有该正极活性材料的正极和锌离子电子具有优异的电化学性能。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0019]图1为本申请一实施方式提供的正极活性材料的制备方法。
[0020]图2为实施例1制得的正极活性材料的微观形貌图。
[0021]图3为实施例1和对比例1制得的正极活性材料的X射线衍射结果图。
[0022]图4为实施例1和对比例1制得的正极活性材料的拉曼光谱结果图。
[0023]图5为倍率性能检测结果图。
[0024]图6为循环性能检测结果图。
具体实施方式
[0025]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0026]本申请提供了一种正极活性材料，正极活性材料包括至少一个片状结构，片状结构包括多个颗粒，颗粒包括复合物以及包裹复合物的碳层，复合物包括三氧化二钒和碳化钒。在本申请中，正极活性材料中含有三氧化二钒，三氧化二钒具有高的比容量(理论比容量为715mAh/g)，同时三氧化二钒和碳化钒形成的异质结构加速了锌离子在颗粒内部的电子和离子传输，解决了现有锌离子无法在钒基氧化物内部快速存储的问题，并且碳层以及类金属的碳化钒可以提高其导电性，而且多个颗粒形成片状结构，二维片状结构的设置可以缩短离子的传输路径，如此可以显著提高正极活性材料的倍率性能、可逆容量高和循环寿命长，有利于正极活性材料在正极以及锌离子电池中的使用。
[0027]在本申请中，多个颗粒堆积或组装形成了片状结构，正极活性材料中可以具有一个或多个片状结构。在本申请实施方式中，片状结构的厚度为20nm
‑
40nm，宽度为0.8μm
‑
1.2μm。上述尺寸的片状结构更有利于缩短离子传输路径，同时又保证了整体结构的稳定性，防止坍塌，提高使用寿命。具体的，片状结构的厚度可以但不限于为20nm、23nm、25nm、27nm、30nm、24nm、35nm、36nm或40nm等，宽度可以但不限于为0.8μm、0.85μm、0.9μm、0.95μm、1μm、1.1μm、1.15μm或1.2μm。在一实施例中，片状结构的厚度为20nm
‑
30nm，宽度为0.8μm
‑
1μm。在另一实施例中，片状结构的厚度为30nm
‑
40nm，宽度为1μm
‑
1.2μm。在又一实施例中，片状结构的厚度为25nm
‑
35nm，宽度为0.9μm
‑
1.1μm。
[0028]在本申请实施方式中，片状结构具有通孔。如此，有利于正极活性材料与电解液的接触，还可以缓解电化学过程中产生的应力。在一实施例中，通孔的孔径为0.8nm
‑
8nm。既有利于缓解电化学过程中产生的应力，又保证正极活性材料的结构稳定性。具体的，通孔的孔
径可以但不限于为0.8nm、1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm或8nm等。在一实施例中，通孔的孔径为1nm
‑
3nm。在另一实施例中，通孔的孔径为3nm
‑
5nm。在又一实施例中，通孔的孔径为5nm
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正极活性材料，其特征在于，所述正极活性材料包括至少一个片状结构，所述片状结构包括多个颗粒，所述颗粒包括复合物以及包裹所述复合物的碳层，所述复合物包括三氧化二钒和碳化钒。2.如权利要求1所述的正极活性材料，其特征在于，多个所述片状结构形成花簇状。3.如权利要求2所述的正极活性材料，其特征在于，所述花簇状的横向尺寸为3μm
‑
5μm。4.如权利要求1所述的正极活性材料，其特征在于，所述片状结构具有通孔，所述通孔的孔径为0.8nm
‑
8nm。5.如权利要求1所述的正极活性材料，其特征在于，所述片状结构的厚度为20nm
‑
40nm，宽度为0.8μm
‑
1.2μm。6.一种正极活性材料的制备方法，其特征在于，包括：钒盐和碳源加入乙醇溶液中形成混合液，其中所述碳源包括均苯三酸和对苯二甲酸中的至少一种，所述乙醇溶液中乙醇和水的体积比为1.8
‑
2.1；所述混合液加热后得到前驱体；在惰性气氛下，将所述前驱体进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：张培新，侯爽，马定涛，米宏伟，赵灵智，王艳宜，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：