一种镁离子预插层水合氧化钒正极材料、制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种镁离子预插层水合氧化钒正极材料、制备方法和应用，所述正极材料为Mg

【技术实现步骤摘要】
的浓度为0.01～0.2mol/L；
[0010]步骤2：将镁源溶于去离子水中，得到溶液B；其中，溶液B中镁源的镁浓度为0.01～0.5mol/L；
[0011]步骤3：将溶液A和溶液B混合后，加热至200～400℃，反应2～10h，得到橙红色絮凝状沉淀物；
[0012]步骤4：收集步骤3得到的沉淀物并离心洗涤，干燥后得到所述正极材料。
[0013]优选地，在步骤1中，溶液A中V2O5的浓度为0.05～0.1mol/L。
[0014]优选地，在步骤2中，溶液B中镁源的镁元素浓度为0.05～0.3mol/L。
[0015]优选地，在步骤3中，溶液A和溶液B中，V2O5中钒元素和镁源中镁元素的摩尔浓度比为1:10，该浓度比是对原料用量的进一步优化，更有利于MVOH的生长。
[0016]优选地，在步骤4中，用去离子水和无水乙醇分别清洗沉淀物3次；然后在60～80℃条件下干燥8～12h。
[0017]本专利技术提供了一种镁离子预插层水合氧化钒正极材料的应用，上述正极材料用于制备水系镁离子电池，可以实现高容量、高倍率及高循环稳定性的优异电化学性能。
[0018]本专利技术提供了一种镁离子预插层水合氧化钒正极材料的应用，上述正极材料用于锂离子电池、钠离子电池、钙离子电池和锌离子电池的制备。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0020]1、本专利技术所述正极材料通过Mg
2+
预插层水合钒氧化物，使正极材料具有纳米花形貌，这不仅可以增大材料的比表面积，暴露出更多的氧化还原活性位点，而且可以缩短Mg
2+
的扩散路径，加快Mg
2+
的扩散动力学。此外，该电极样品具有的层间距，可以为镁离子提供快速嵌入/脱出通道；预嵌入的Mg
2+
和结构水可增大电极材料的导电性，提高正极材料的比容量和循环稳定性。
[0021]2、本专利技术所述制备方法通过高温化学沉淀法制备预插层水合钒氧化物，实现了一步合成尺寸和形貌均一的Mg
2+
预插层水合钒氧化物纳米花镁离子电池正极材料，具有优异的倍率性能和循环稳定性，制备工艺简单易操作，具有很好的工业化应用前景。
[0022]3、本专利技术所述正极材料构建的镁电池体系，选用Mg
2+
预插层水合钒氧化物为镁离子电池正极材料，活性炭为负极材料，4.5M Mg(NO3)2水溶液为电解液组装成扣式电池，在0.5C时可展现出了172mAh
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g
‑1的高比容量，当倍率扩大100倍增加至50C时，仍可输出92mAh
·
g
‑1的比容量，当恢复倍率至0.5C时，比容量迅速恢复为174mAh
·
g
‑1，具有出色的倍率性能；此外，还具有超长的的循环寿命(10000次循环后容量保持率为78％)，库伦效率稳定在100％，展现出了优异的电化学性能。
附图说明
[0023]图1为实例1制备的MVOH样品的XRD分析图；
[0024]图2为实例1制备的MVOH样品的TGA分析图；
[0025]图3为实例1制备的MVOH样品的TEM图和TEM图；
[0026]图4为扣式电池体系扫描速率为1mV
·
s
‑1时MVOH电极前3圈的循环伏安曲线；
[0027]图5为扣式电池体系MVOH电极的倍率性能图；
[0028]图6为扣式电池体系MVOH电极的充放电曲线；
[0029]图7为扣式电池体系电流密度为4A
·
g
‑1时MVOH电极的循环稳定性测试图。
具体实施方式
[0030]下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0031]一、镁离子预插层水合氧化钒正极材料
[0032]本专利技术考虑到现有技术中，钒氧化物正极材料存在导电性低和固态扩散动力学缓慢的问题，故本专利技术考虑对钒氧化物正极材料进行改进，在改进过程中意外发现，通过向氧化钒层间预嵌入金属离子和结构水可以显著提升电极材料的导电率，而进一步分析后发现，本专利技术所述材料具有大的层间距这为镁离子的迁移创造了良好的条件，同时，结构水的存在也可以有效屏蔽Mg
2+
与宿主材料之间强的静电相互作用力，提高Mg
2+
的扩散动力学；此外，预嵌入的Mg
2+
和结构水作为层间的“支柱”，增强了电极材料的结构稳定性，可进一步提高电池的循环寿命。对本专利技术所述正极材料进行进一步研究后发现，与活性炭负极组装的扣式电池具有优异的电化学储镁性能，主要包括高的可逆容量(倍率为0.5C时，比容量为172mAh g
‑1)和倍率性能(倍率扩大100倍增加至50C时，仍可输出92mAh g
‑1的比容量；当恢复至0.5C时，比容量的恢复率达100％，为174mAh g
‑1)。此外，具有超长的循环寿命(10000次循环后容量保持率为78％)，库伦效率始终稳定在100％。该专利技术解决了现有储镁技术上存在的扩散动力学缓慢的难题的同时，还解决了插入扩散型镁离子电池循环稳定性差的技术瓶颈；因此，这一系列结构的改进，使得MVOH作为镁离子电池正极材料时，表现出了优异的倍率性能和循环稳定性。更为难得的是，MVOH电极的制备过程简单易操作，具有低成本和高储镁性能的优势，是一种理想的镁离子电池正极材料。
[0033]二、实施例和对比例
[0034]实施例1
[0035]制备步骤如下：
[0036](1)在五氧化二钒(V2O5，0.25g)中加入3mL体积分数为30％的过氧化氢(H2O2)，放热反应结束后显示出黄橙色的透明溶液并加入50mL去离子水，记为溶液A；
[0037](2)将六水合硝酸镁(Mg(NO3)2·
6H2O，1.8g)溶解于50mL去离子水中，记为溶液B；
[0038](3)将溶液B加入至溶液A中，放置于300℃加热板上反应6h，收集沉淀产物，用无水乙醇和去离子水分别清洗3次，在70℃的真空干燥箱中干燥12h，即得到MVOH褐色粉末样品。
[0039]实施例2
[0040]制备步骤如下：
[0041](1)在五氧化二钒(V2O5，0.5g)中加入3mL体积分数为30％的过氧化氢(H2O2)，放热反应结束后显示出黄橙色的透明溶液并加入50mL去离子水，记为溶液A；
[0042](2)将六水合硝酸镁(Mg(NO3)2·
6H2O，1.8g)溶解于50mL去离子水中，记为溶液B；
[0043](3)将溶液B加入至溶液A中，放置于250℃加热板上反应8h，收集沉淀产物，用无水乙醇和去离子水分别清洗3次，在70℃的真空干燥箱中干燥12h，即得到MVOH褐色粉末样品。
[0044]实施例3
[0045]制备步骤如下：
[0046](1)在五氧化二钒(V2O5，0.25g)中加入3mL体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镁离子预插层水合氧化钒正极材料，其特征在于，所述正极材料为Mg
x
V
10
O
24
·
nH2O，其中，x为嵌入该正极材料中镁离子的摩尔数，x和n均为有理数，且x和n均大于0。2.根据权利要求1所述镁离子预插层水合氧化钒正极材料，其特征在于，所述正极材料的形貌为纳米花形貌，且花瓣厚度为50～100nm。3.一种镁离子预插层水合氧化钒正极材料的制备方法，其特征在于，制备如权利要求1～2任一所述正极材料，具体包括如下步骤：步骤1：向V2O5中加入过氧化氢溶液，发生放热反应，得到黄橙色透明溶液，再加入去离子水，得到溶液A；其中，过氧化氢溶液中过氧化氢的质量百分比≥30％，且溶液A中V2O5的浓度为0.01～0.2mol/L；步骤2：将镁源溶于去离子水中，得到溶液B；其中，溶液B中镁源的镁浓度为0.01～0.5mol/L；步骤3：将溶液A和溶液B混合后，加热至200～400℃，反应2～10h，得到沉淀物；步骤4：收集步骤3得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鸿乂，马秀芬，成洁，刁江，岳继礼，王敬丰，潘复生，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：