一种负极材料及其制备方法、负极极片、水系镁离子电池技术

本发明专利技术提供的是一种负极材料及其制备方法、负极极片、水系镁离子电池，属于新能源技术领域，克服了现有技术中的铁钒氧化物作为水系镁离子电池的负极材料时倍率性能和循环稳定性差的缺陷。本发明专利技术负极材料为多壁碳纳米管掺杂的铁钒氧化物，原料中铁源与钒源的摩尔比为1：(1.8～2.2)。改善倍率性能的同时提高镁离子电池的循环稳定性。电池的循环稳定性。电池的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种负极材料及其制备方法、负极极片、水系镁离子电池


[0001]本专利技术属于新能源
，具体涉及一种负极材料及其制备方法、负极极片、水系镁离子电池。

技术介绍

[0002]随着经济和社会的日益发展，人们对能源的需求越来越高，充分利用可再生能源对于减少碳排放以实现可持续发展至关重要。然而，太阳能、风能、潮汐能等可再生能源均存在间歇性、不稳定性和分布不均匀等缺点阻碍了大规模利用，电网规模储能的实施对于缓解电力生产和消费之间的不匹配至关重要。因此，需要开发高效、廉价、清洁和安全的储能技术。其中，水系电池由于高安全性，成本低廉，环境友好等优点而成为规模储能的理想储能方式之一。与锂相比，镁在地球上资源丰富、分布均匀、易于开采，具有先天的成本优势。由于镁的二价性质，镁的体积容量为3833mAh/cm3，比锂(2046mAh/cm3)的容量更大。在多价金属中，镁及相当多的镁化学物都是无毒或低毒，易加工操作，价格便宜，因此开发镁离子电池具有独特优势。
[0003]现有技术公开了一种铁钒氧化物作为水系镁离子电池负极材料，然而，Mg
2+
的高电荷密度在宿主材料中具有很强的插入能垒，以及镁离子的插层作用，电极材料结构发生了严重的变化，导致其循环稳定性较低。
[0004]开发和寻找合适的负极材料成为实现可充电镁离子电池性能提升的关键。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的铁钒氧化物作为水系镁离子电池的负极材料时倍率性能和循环稳定性差的缺陷，从而提供一种负极材料及其制备方法、负极极片、水系镁离子电池。
[0006]为此，本专利技术提供了以下技术方案。
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种负极材料，为多壁碳纳米管掺杂的铁钒氧化物，原料中铁源与钒源的摩尔比为1：(1.8～2.2)。
[0008]第二方面，本专利技术提供了一种负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、将铁源、钒源和多壁碳纳米管在水中混合得到混合液，所述铁源与钒源的摩尔比为1：(1.8～2.2)；
[0010]步骤2、将混合液进行水热反应，过滤得到前驱体；
[0011]步骤3、将所述前驱体进行烧结，得到负极材料。
[0012]进一步的，所述步骤1中，所述铁源的摩尔量与多壁碳纳米管的质量之别为1mmol：(0.1～0.3)g。
[0013]进一步的，所述步骤1还包括将所述混合液pH调节至4～6。通过调节pH范围可以改善产物中铁钒计量比与加入量接近，从而保证产物相更均一。
[0014]进一步的，所述步骤1包括：
[0015]将铁源与水混合，室温搅拌0.2～1.5h，得到铁源溶液；
[0016]将钒源与水混合，40～80℃搅拌0.5～2.5h，得到钒源溶液；
[0017]将铁源溶液加入到钒源溶液中，并加入多壁碳纳米管，超声分散0.5～2h，再室温搅拌0.5～4h，得到混合溶液。其中，铁源溶液缓慢加入到钒源溶液中，滴加速度为1～20mL/min，以减缓反应速度，避免前驱体产物团聚。
[0018]进一步的，所述步骤2中，水热反应温度为120～200℃，反应的时间为4～16h。
[0019]进一步的，所述步骤3中，烧结包括预烧结和第二次烧结；
[0020]以8～15℃/min的升温速度升温至预烧结温度，所述预烧结的温度为600～1000℃，升温至预烧结温度后处理1～3h，然后降至室温，进行细化处理，过500目筛网；
[0021]以1～5℃/min的升温速度升温至第二次烧结温度，所述第二次烧结的温度为400～800℃，升温至第二次烧结温度后处理3～6h。
[0022]进一步的，所述铁源为水溶性铁盐，和/或，所述钒源为水溶性钒盐。
[0023]进一步的，所述铁源包括氯化铁、硫酸铁、醋酸铁或硝酸铁中至少一种；和/或
[0024]所述钒源包括偏钒酸铵、偏钒酸钠中一种或多种。
[0025]第三方面，本专利技术提供了一种负极极片，包括上述的制备方法制得的负极材料。
[0026]在一种可能的设计中，负极极片还包括乙炔黑和聚偏氟乙烯。本专利技术负极材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯的质量比为(6～8):(1～3):(1～2)。
[0027]负极极片的制备方法，包括：将负极材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯(混合时将聚偏氟乙烯溶于N
‑
甲基吡咯烷酮)混合制成电极浆料，将所述电极浆料涂覆在集流体上并在80～100℃下干燥得到负极极片。
[0028]所述集流体为碳布、碳毡、不锈钢、钛箔、铝箔、铜箔中的一种。
[0029]第四方面，本专利技术提供了一种水系镁离子电池，包括上述负极极片。
[0030]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0031]1.本专利技术提供的负极材料，为多壁碳纳米管掺杂的铁钒氧化物，原料中铁源与钒源的摩尔比为1：(1.8～2.2)。
[0032]采用多壁碳纳米管对铁钒氧化物进行掺杂，可提高负极材料的稳定性，降低Mg
2+
对负极材料结构的破坏，提高镁离子电池的循环稳定性。同时，掺杂多壁碳纳米管还可提高负极材料的导电性，进一步改善电池的倍率性能。
[0033]原料中铁源与钒源的摩尔比为1：(1.8～2.2)，合成的铁钒氧化物三维隧道结构更宽，更利于离子扩散，避免材料结构在充放电循环过程中坍塌、退化，造成容量衰减。
[0034]本专利技术负极材料在调整铁钒氧化物比例的同时掺杂多壁碳纳米管，提升材料电子导电性，用于改善倍率性能的同时提高镁离子电池的循环稳定性。
[0035]2.本专利技术提供的负极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将铁源、钒源和多壁碳纳米管在水中混合得到混合液，所述铁源与钒源的摩尔比为1：(1.8～2.2)；步骤2、将混合液进行水热反应，过滤得到前驱体；步骤3、将所述前驱体进行烧结，得到负极材料。
[0036]本专利技术通过水热反应制备前驱体，合成温度低、时间短且将多壁碳纳米管原位掺入前驱体中，利用率高。多壁碳纳米管对铁钒氧化物进行原位掺杂在提高电导率、增强电池倍率性能的同时缓解铁钒氧化物充放电过程中的结构变化，以延长循环寿命。
[0037]在水系电解液中，匹配合适的正极材料即可构建全电池，不会对环境产生影响，所
以其作为下一代大规模储能的候选材料具备很大潜力。
[0038]铁源与钒源的摩尔比为1：(1.8～2.2)，使得本专利技术负极材料在具有高导电性和稳定性的同时具有较高的电位和比容量。
[0039]3.本专利技术提供的负极材料的制备方法中，所述铁源的摩尔量与多壁碳纳米管的质量之别为1mmol：(0.1～0.3)g。多壁碳纳米管掺杂量约为铁钒氧化物质量的40％～120％，以达到提高材料稳定性及导电性的同时不过多影响材料的比容量的目的。
[0040]4.本专利技术提供的负极材料的制备方法中，烧结包括预烧结和第二次烧结，得到结晶度和纯度更好的多壁碳纳米管掺杂铁钒氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，为多壁碳纳米管掺杂的铁钒氧化物，原料中铁源与钒源的摩尔比为1：(1.8～2.2)。2.一种负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将铁源、钒源和多壁碳纳米管在水中混合得到混合液，所述铁源与钒源的摩尔比为1：(1.8～2.2)；步骤2、将混合液进行水热反应，过滤得到前驱体；步骤3、将所述前驱体进行烧结，得到负极材料。3.根据权利要求2所述的负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述铁源的摩尔量与多壁碳纳米管的质量之别为1mmol：(0.1～0.3)g。4.根据权利要求2所述的负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1还包括将所述混合液pH调节至4～6。5.根据权利要求2
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4任一项所述的负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，水热反应温度为120～200℃，反应的时间为4～16h...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴卓彦，李镔珂，朱小毅，刘笑驰，乐波，孙长平，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：