一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料及其制备方法和应用，制备方法包括：在磁力搅拌下，称取偏钒酸铵加入装有去离子水的烧杯中搅拌溶解，形成乳白色溶液；将有机酸粉末在磁力搅拌下加入乳白色溶液中，搅拌溶解形成黄色溶液；将结构导向剂粉末在磁力搅拌下加入黄色溶液中，搅拌溶解形成均一溶液；将均一溶液倒入聚四氟乙烯模具中，装入反应釜后放入烘箱反应，得到初产物；将初产物用去离子水和乙醇洗涤多次，而后在烘箱中烘干，即可制得钒酸铵纳米带正极材料。与现有技术相比，本发明专利技术的制备方法制备的钒酸铵纳米带正极材料能够有效提高钒基锌离子电池的循环稳定性和初始容量，是锌离子电池的理想正极材料之一。料之一。料之一。

【技术实现步骤摘要】
一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锌离子电池正极材料
，尤其是涉及一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着经济社会和工业文明的发展，对能源的需求与日俱增。然而传统化石能源的逐渐枯竭迫使人们将目光转向可再生能源。因此，可靠高效的电能储存系统被认为是解决新能源发电不稳定问题的关键支撑，理想的电能储存具有一下特点，无污染、低成本、高效能、高可靠性、高安全性、长循环寿命、高重量密度和高功率密度。目前，大规模运行中的储能技术包括机械储能、电化学储能、电磁储能和相变储能。其中电化学储能具有功率和能量可根据不同应用需求灵活配置，不受地理等外部条件的限制等优势，是储能技术的重要发展方向。具有更高能量密度(150
‑
265Wh
·
kg
‑1)的锂离子电池作为电能储存系统的明星电池，被广泛的用于便携电子设备和新能源汽车上。但近年来，随着全球锂价格的快速攀升，锂离子电池的成本下行压力巨大，这将成为其未来能否在大规模储能系统中应用的决定因素。
[0003]近年来，水系二次离子电池因具备低成本、高安全、环境友好等优势，受到了研究者越来越多的关注。其中，水系锌离子电池因为其稳定性高、低成本、无污染等特点从众多的水系多价金属电池中脱颖而出，备受科研人员的关注。在水系锌离子电池中，正极材料的制备是主要的研究方向。目前，水系锌离子电池正极材料种类主要分为锰基正极材料、钒基正极材料、普鲁士蓝及其类似物正极材料和有机材料等。其中，在钒酸铵正极材料通过铵根离子充当层间的支柱，使得其具有较大的层间距，有利于锌离子的嵌入脱出，同时其具有较高的理论容量(491.6mAh
·
g
‑1)等优势，是理想的锌离子电池正极材料。
[0004]然而迄今为止，具有制备工艺简单、较高电化学稳定性的钒酸铵纳米带锌离子电池正极材料仍鲜见报道。因此，研究和开发具有制备工艺简单、较高电化学稳定性的钒酸铵纳米带正极材料对锌离子电池的发展具有重大的意义。
[0005]CN115536066A中，对照例1得到了钒酸铵(NH4V4O
10
)材料，其制备方法如下：1)称量0.585g偏钒酸铵于烧杯中，加入75mL去离子水，在65℃水浴条件下水浴搅拌30min到完全溶解，得到偏钒酸铵溶液；2)称量0.63g草酸加入步骤1)中得到的得到偏钒酸铵溶液中，在搅拌速度为800r/min下磁力搅拌60min，得到混合溶液；3)将步骤2)中得到的混合溶液转移到高温反应釜中，并在烘箱中180℃条件下反应12h，待冷却到室温得到絮状产物；4)采用去离子水将步骤3)中得到的絮状产物进行3次离心洗涤，再在
‑
48℃下冷冻干燥12h，得到钒酸铵(NH4V4O
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)材料，但该制备方法需要在低温条件下制备，制备过程繁琐，经济效益较差。同时，得到的钒酸铵(NH4V4O
10
)材料之间缠结较为严重，在用作锌离子电池正极材料时不利于锌离子的嵌入与脱出。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料及其制备方法和应用，通过加入结构诱导剂得到了制备工艺简单、较高电化学稳定性的钒酸铵纳米带正极材料，在该工艺中，结构导向剂不仅充当结构导向的作用，同时具有分散钒酸铵纳米带的作用，有利于锌离子的嵌入和脱出。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]本专利技术的第一个目的是提供一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0009](1)在磁力搅拌下，称取一定质量的偏钒酸铵加入装有去离子水的烧杯中搅拌溶解，形成乳白色溶液；
[0010](2)将一定质量的有机酸粉末在磁力搅拌下加入步骤(1)所得的乳白色溶液中，搅拌溶解形成黄色溶液；
[0011](3)将一定质量的结构导向剂粉末在磁力搅拌下加入步骤(2)中的黄色溶液中，搅拌溶解形成均一溶液；
[0012](4)将步骤(3)形成的均一溶液倒入聚四氟乙烯模具中，装入反应釜后放入烘箱反应，得到初产物；
[0013](5)将步骤(4)所得的初产物用去离子水和乙醇洗涤多次，而后将洗涤后的产物在烘箱中烘干，即可制得钒酸铵纳米带正极材料，其分子式为NH4V4O
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。
[0014]进一步地，步骤(1)中，所述乳白色溶液中偏钒酸铵的浓度为20至100mmol
·
L
‑1。
[0015]进一步地，步骤(2)中，所述有机酸为酒石酸、草酸、苹果酸、柠檬酸、抗坏血酸中的一种或几种；步骤(2)中，所述黄色溶液中有机酸的浓度为30至120mmol
·
L
‑1。
[0016]进一步地，步骤(3)中，所述结构导向剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、油酸、油酸钠、司班20、司班40、司班60、司班80、硬脂酸、硬脂酸钠、聚苯乙烯马来酰胺共聚物中的至少一种；步骤(3)中，所述均一溶液中结构导向剂的浓度为10至80mmol
·
L
‑1。
[0017]进一步地，步骤(4)中，放入烘箱反应的反应温度为120至180℃，反应时间为0.5至12h。
[0018]进一步地，步骤(5)中，将洗涤后的产物在烘箱中烘干的烘干温度为60至80℃，时间为8至12h。
[0019]进一步地，步骤(5)中，用去离子水和乙醇洗涤3至5次。
[0020]本专利技术的第二个目的是提供一种采用上述制备方法制备的结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料，所述钒酸铵纳米带正极材料为由短纳米带组成的颗粒材料。
[0021]进一步地，所述短纳米带的长度为100至500nm。
[0022]本专利技术的第三个目的是提供一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料的应用，将所述结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料应用于锌离子电池领域。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0024]1)本专利技术提供的结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料的制备方法，通过加入结构诱导剂，得到了制备工艺简单、较高稳定性的钒酸铵纳米带正极材料。
[0025]2)本专利技术提供的结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料，作为锌离子电池
正极材料展现出优异的比容量和循环性能，为锌离子电池钒酸铵类正极材料的产业化制备提供了技术支持，能够有效提高钒基锌离子电池的循环稳定性和初始容量，是锌离子电池的理想正极材料之一。
[0026]3)本专利技术提供的结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料的制备方法，结构导向剂不仅充当结构导向的作用，同时具有分散钒酸铵纳米带的作用，在作为锌离子电池正极材料时有利于锌离子的嵌入和脱出。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)在磁力搅拌下，称取偏钒酸铵加入装去离子水的烧杯中搅拌溶解，形成乳白色溶液；(2)将有机酸粉末在磁力搅拌下加入步骤(1)所得的乳白色溶液中，搅拌溶解形成黄色溶液；(3)将结构导向剂粉末在磁力搅拌下加入步骤(2)中的黄色溶液中，搅拌溶解形成均一溶液；(4)将步骤(3)形成的均一溶液倒入聚四氟乙烯模具中，装入反应釜后放入烘箱反应，得到初产物；(5)将步骤(4)所得的初产物用去离子水和乙醇洗涤多次，而后将洗涤后的产物在烘箱中烘干，即可制得钒酸铵纳米带正极材料，其分子式为NH4V4O
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。2.根据权利要求1所述的一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述乳白色溶液中偏钒酸铵的浓度为20至100mmol
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‑1。3.根据权利要求1所述的一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述有机酸为酒石酸、草酸、苹果酸、柠檬酸、抗坏血酸中的一种或几种；步骤(2)中，所述黄色溶液中有机酸的浓度为30至120mmol
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‑1。4.根据权利要求1所述的一种结构导向剂诱导生成的钒酸铵纳米带正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述结构导向剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、油酸、油酸钠、司班20、司班40、司...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海梅，卢永熠，李敏，李宗钖，梁嘉鑫，刘铭祖，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：