含水V3O7-石墨烯正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于锌离子电池材料技术领域，公开了含水V3O7‑

【技术实现步骤摘要】
含水V3O7‑
石墨烯正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锌离子电池材料
，具体涉及锌离子电池的钒基正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着储能技术的发展，新型金属离子电池，包括钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、钙离子电池、锌离子电池、铝离子电池等受到了研究者的广泛关注。其中，锌离子电池由于其低成本和高安全性而被认为是大规模储能的有前途的候选者。然而，缺乏具有相当大的比容量和良好的耐久性的合适的正极材料阻碍了电池的实际应用。钒基正极材料表现出较高的比容量和优异的倍率性能，也受到研究者的广泛关注。专利文献US104761114B公开了水性可再充电锌离子电池，包含V3O7·
H2O
‑
石墨烯复合物的阴极，通过水热法制备H2V3O8NW和H2V3O8NW /石墨烯复合材料。在典型的合成中，将V2O5粉末（0.364 g）添加到去离子水（20 mL）中，并将混合物剧烈搅拌。然后，将H2O2（4mL）加入到溶液中，将其不断搅拌另外2小时。随后，在剧烈搅拌下将20mL GO溶液添加至14mL的混合物中，随后超声处理6h。最后，将溶液转移至50mL高压釜中，并在200℃的烘箱中保持5天。将产物用乙醇和去离子水洗涤几次，然后在60℃下干燥以获得H2V3O8NW /石墨烯复合材料。然而该专利文献公开的V3O7·
H2O
‑
石墨烯复合物的制备方法较为繁杂。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的是提供一种含水V3O7‑
石墨烯正极材料及其制备方法和应用。
[0004]以下是本专利技术的具体技术方案。
[0005]首先，本专利技术提供一种含水V3O7‑
石墨烯正极材料，所述正极材料的化学通式表示为nV3O7‑
(1
‑
n)V3O7·
H2O
‑
rGO，其中0.1≤n≤0.9。
[0006]其次，本专利技术提供上述含水V3O7‑
石墨烯正极材料的制备方法，包括以下步骤：将偏钒酸盐溶于还原性有机溶剂中，然后加入石墨烯，得到反应浆料；调节反应浆料的pH值为1~4，进行溶剂热反应，得到中间产物；在保护性气氛中煅烧中间产物，得到含水V3O7‑
石墨烯正极材料。
[0007]在进一步的优选方案中，所述偏钒酸盐为偏钒酸铵、偏钒酸钠、偏钒酸钾中的至少一种；所述还原性有机溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、丙酮中的至少一种。
[0008]在进一步的优选方案中，所述反应浆料中偏钒酸盐的浓度为0.5~3mol/L。
[0009]在进一步的优选方案中，所述反应浆料中偏钒酸盐和石墨烯的摩尔比为1：0.05~0.15。
[0010]在进一步的优选方案中，所述溶剂热反应的温度为120~160℃，所述溶剂热反应的时间为12~20h。
[0011]在进一步的优选方案中，所述保护性气氛为氮气气氛。
[0012]在进一步的优选方案中，所述煅烧的温度为250~300℃，所述煅烧的时间为10~
60min。
[0013]此外，本专利技术提供一种水系锌离子电池，包含上述含水V3O7‑
石墨烯正极材料。
[0014]本专利技术具有以下明显的有益技术效果：本专利技术制备含水V3O7‑
石墨烯正极材料的方法简单、易操作，没有繁杂的控制过程和工艺流程。
[0015]本专利技术提供的含水V3O7‑
石墨烯正极材料可应用到锌离子电池中并确保电池的循环性能和容量保持率。
附图说明
[0016]图1为实施例1制备得到的复合材料的HRTEM图。
[0017]图2为实施例1制备得到的正极材料的C的XPS图。
具体实施方式
[0018]不同钒氧比和不同含水量的钒基正极材料的电化学性能差异很大。在探索具有超高结构稳定性和较大晶格间距的钒基材料过程中，本专利技术提供以下钒基正极材料，所述正极材料的化学通式表示为nV3O7‑
(1
‑
n)V3O7·
H2O
‑
rGO，其中0.1≤n≤0.9。
[0019]此外，本专利技术提供上述正极材料的较为简单的制备方法，包括以下步骤：将偏钒酸盐溶于还原性有机溶剂中，然后加入石墨烯，得到反应浆料；调节反应浆料的pH值为1~4，进行溶剂热反应，得到中间产物；在保护性气氛中煅烧中间产物，得到含水V3O7‑
石墨烯正极材料。
[0020]V3O7、(1
‑
n)V3O7·
H2O、rGO三者之间通过化学键和范德华键连接，化学键有V
‑
O键，范德华键有H
‑
O键、C
‑
O键。通过化学键和范德华键形成稳定的复合相。水分子的大分子结构存在于V3O7相的内部，在溶剂热反应并低温烧结过程中，部分水从结构中流失，使复合材料结构中H
‑
O键流失，形成空余间隙，增加复合材料的晶格间距。同时，保持复合材料中的含水量为（1
‑
n），含水量过高，影响材料的导电性；含水量过低，结构中的晶格尺寸较小，不利于水合锌离子的传输。
[0021]上述制备方法中，偏钒酸盐、石墨烯在还原性有机溶剂中进行溶剂热反应，然后中间产物煅烧，即得到含水V3O7‑
石墨烯正极材料，制备方法简单、易操作，且对设备没有过高的要求。
[0022]反应体系中，还原性有机溶剂可将偏钒酸盐（+5价的V）还原为+4.67价的V。在本专利技术的具体实施方式中，所述还原性有机溶剂为乙醇、甲醇、乙二醇、丙酮中的至少一种，所述偏钒酸盐为偏钒酸铵、偏钒酸钠、偏钒酸钾中的至少一种。
[0023]作为进一步的优选，所述反应浆料中偏钒酸盐的浓度为0.5~3mol/L，反应浆料中偏钒酸盐和石墨烯的摩尔比为1：0.05~0.15。
[0024]调节反应浆料的pH值为1~4，在酸性条件下有机溶剂和偏钒酸盐通过溶剂热反应发生还原反应。
[0025]上述制备方法中，所述溶剂热反应的温度为120~160℃。溶剂热反应温度低于120℃，还原反应不完全；溶剂热反应温度高于160℃，反应生成的纳米结构将会出现聚集，最终导致材料的形貌分布不均。根据溶剂热反应进程，适应性调整反应时间，在本专利技术的具体实
施方式中，所述溶剂热反应的时间为12~20h。
[0026]上述制备方法中，煅烧中间产物的步骤也非常关键。在本专利技术的具体实施方式中，所述煅烧的温度为250~300℃，煅烧温度低于250℃，复合材料中的含水量过高，影响材料的导电性；煅烧温度高于300℃，复合材料中的含水量过低，结构中的晶格尺寸较小，不利于水合锌离子的传输。根据煅烧过程中的产物情况，适应性调整煅烧时间。在本专利技术的具体实施方式中，所述煅烧的时间为10~60min。
[0027]此外，本专利技术提供一种水系锌离子电池，包含上述含水V3O7‑
石墨烯正极材料。
[0028本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含水V3O7‑
石墨烯正极材料，其特征在于，所述正极材料的化学通式表示为nV3O7‑
(1
‑
n)V3O7·
H2O
‑
rGO，其中0.1≤n≤0.9。2.如权利要求1所述的含水V3O7‑
石墨烯正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将偏钒酸盐溶于还原性有机溶剂中，然后加入石墨烯，得到反应浆料；调节反应浆料的pH值为1~4，进行溶剂热反应，得到中间产物；在保护性气氛中煅烧中间产物，得到含水V3O7‑
石墨烯正极材料。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述偏钒酸盐为偏钒酸铵、偏钒酸钠、偏钒酸钾中的至少一种；所述还原性有机溶剂为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宝，程磊，徐宝和，龙祝迪，林可博，邓梦轩，张坤，
申请(专利权)人：帕瓦长沙新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：