一种用于水系锌离子电池正极材料的富氧空位钒基纳米花的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于水系锌离子电池正极材料的富氧空位钒基纳米花的制备方法，是首先将天冬氨酸、硫酸锌和钒酸铵溶于去离子水并通过一步水热反应获得Zn

【技术实现步骤摘要】
一种用于水系锌离子电池正极材料的富氧空位钒基纳米花的制备方法


[0001]本专利技术涉及水系锌离子电池正极材料
，具体涉及一种用于水系锌离子电池正极材料的富氧空位钒基纳米花的制备方法。

技术介绍

[0002]日益增长的能源需求和不断恶化的环境问题表明实现新能源的可持续发展势在必行。具有高充放电效率、长循环寿命、较大功率和能量密度、无污染运行及低维护成本的可充电电池能够满足清洁能源储存的需求。锌离子电池由于具有高体积比容量、制备工艺简单、安全、环境友好以及资源丰富等诸多优点，有望成为下一代电化学储能器件的杰出代表之一。
[0003]目前针对水系锌离子电池开发的正极材料很多，但锰基材料倍率性能差、普鲁士蓝类似物容量低。与其他种类的正极材料相比，钒基化合物因其快速的多电子氧化还原反应、高的比容量、良好的循环稳定性，被认为是最具有竞争力的水系锌离子电池正极材料。然而，由于Zn
2+
与钒基材料之间存在强静电相互作用，锌离子层间扩散缓慢，严重制约了其实际应用。

技术实现思路

[0004]针对水系锌离子电池钒基正极目前存在的上述问题，本专利技术提供一种用于水系锌离子电池正极材料的富氧空位钒基纳米花的制备方法，所制备的正极材料具有更强的结构稳定性、高的比容量、出色的循环性能和能量密度，证明了该电池系统的实际应用潜力。
[0005]本专利技术为实现目的，采用如下技术方案：
[0006]一种用于水系锌离子电池正极材料的富氧空位钒基纳米花的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、将天冬氨酸L
‑
Asp、硫酸锌ZnSO4·
7H2O和钒酸铵NH4VO3溶解于去离子水，得混合溶液；
[0008]步骤2、将步骤1所得混合溶液转移至反应釜中加热，加热结束冷却至室温，所得悬浮液经离心、洗涤、干燥，得到前驱体粉末；
[0009]步骤3、将步骤2所得前驱体粉末在氩氢混合气氛下进行热处理，待自然冷却至室温后，即得到用于水系锌离子电池正极材料的富氧空位钒基纳米花O
v
‑
ZVO。
[0010]优选地，步骤1的具体方法为：将去离子水加热至60～80℃，然后加入天冬氨酸和硫酸锌，恒温搅拌15～25min至溶解，得溶液A；同时，将去离子水加热至60～80℃，然后加入钒酸铵，恒温搅拌15～25min至溶解，得溶液B；待溶液A完全溶解后迅速加入溶液B，恒温搅拌20min，获得混合溶液。
[0011]进一步优选地：所述溶液A中，天冬氨酸、硫酸锌和去离子水用量比为0.10～0.15g：0.25～0.30g：10.0～20.0mL；所述溶液B中，钒酸铵和去离子水用量比为0.10～
0.15g：5.0～15.0mL。
[0012]优选地，步骤2中，加热温度为140～160℃，加热时间为4～8h。
[0013]优选地，步骤2中，所述干燥为真空干燥，干燥温度为60～80℃、干燥时间为4～8h。
[0014]优选地，步骤3中，所述氩氢混合气氛中氢气体积百分比为5％，所述热处理的温度为200～300℃、热处理时间为2～3h、升温速率为2℃min
‑1。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0016]本专利技术通过简单的水热反应制备了一种Zn
0.125
V2O5·
H2O材料，并通过进一步退火处理制备了富氧空位Zn
0.125
V2O5·
H2O纳米花，由于氧空位的引入，Zn和O原子之间的相互作用减弱，Zn
2+
扩散势垒降低，提高了电化学性能，因此制备的O
v
‑
ZVO正极获得了高容量并表现出出色的循环稳定性。该工作有助于在原子水平上理解Zn
2+
的嵌入/脱出和扩散过程，并为利用缺陷工程设计高性能ZIB正极材料提供了指导策略。
附图说明
[0017]图1是本专利技术实施例1制备的O
v
‑
ZVO纳米花的扫描电镜图，其中插图对应不同放大倍数；
[0018]图2是本专利技术实施例1制备的O
v
‑
ZVO纳米花的透射电镜图，其中插图对应不同放大倍数；
[0019]图3是本专利技术实施例1制备的O
v
‑
ZVO纳米花的元素分布图；
[0020]图4是本专利技术实施例1制备的O
v
‑
ZVO纳米花的X射线衍射图谱；
[0021]图5是本专利技术实施例1制备的O
v
‑
ZVO纳米花的热重分析曲线；
[0022]图6是以本专利技术实施例1制备的O
v
‑
ZVO纳米花为正极组建的2032型纽扣电池的循环伏安曲线图；
[0023]图7是以本专利技术实施例1制备的O
v
‑
ZVO纳米花为正极组建的2032型纽扣电池的充放电曲线图；
[0024]图8是本专利技术对比例1(图(a))所得ZVO与实施例1(图(b))所得O
v
‑
ZVO的光学照片对比；
[0025]图9是本专利技术实施例1所得O
v
‑
ZVO与对比例1所得ZVO的X射线光电子能谱对比；
[0026]图10是本专利技术实施例1(图(a))与对比例1(图(b))的孔径分布曲线(插图)和Brunauer
‑
Emmet(BET)分析；
[0027]图11是本专利技术实施例1与对比例1在3M ZnSO4中的溶解情况，各图片中左侧瓶内为对比例1、右侧瓶内为实施例1；
[0028]图12是本专利技术实施例1与对比例1的循环性能图；
[0029]图13是本专利技术实施例1与对比例1的倍率性能图。
具体实施方式
[0030]为了进一步说明本专利技术，以下结合实施例对本专利技术提供的一种新型高性能水系锌离子电池正极材料—富氧空位钒基纳米花的制备方法作详细描述，并结合附图进行说明，但不能将其理解为对本专利技术保护范围的限定。
[0031]实施例1
[0032]本实施例按如下步骤制备富氧空位钒基纳米花：
[0033]步骤1、先将133.1mg L
‑
Asp粉溶于15mL 70℃去离子水中，再加入287.56mg ZnSO4·
7H2O，恒温磁搅拌20min，得溶液A。同时将116.9mgNH4VO3溶于10mL 70℃去离子水中，恒温搅拌20min，得溶液B。待溶液A完全溶解后迅速加入溶液B，溶液变成深黄色，恒温搅拌20分钟，获得混合溶液。
[0034]步骤2、将混合溶液转移到30mL特氟龙高压反应釜中，150℃加热6h。冷却到室温，收集产品并依次用蒸馏水和乙醇冲洗，随后在真空炉中70℃烘干6h。
[0035]步骤3、将步骤2中产品置于240℃通有5％氩氢混合气的管式炉中保温3h，管式炉的加热速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于水系锌离子电池正极材料的富氧空位钒基纳米花的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将天冬氨酸L
‑
Asp、硫酸锌ZnSO4·
7H2O和钒酸铵NH4VO3溶解于去离子水，得混合溶液；步骤2、将步骤1所得混合溶液转移至反应釜中加热，加热结束冷却至室温，所得悬浮液经离心、洗涤、干燥，得到前驱体粉末；步骤3、将步骤2所得前驱体粉末在氩氢混合气氛下进行热处理，待自然冷却至室温后，即得到用于水系锌离子电池正极材料的富氧空位钒基纳米花O
v
‑
ZVO。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1的具体方法为：将去离子水加热，然后加入天冬氨酸和硫酸锌，恒温搅拌至溶解，得溶液A；同时，将去离子水加热，然后加入钒酸铵，恒温搅拌至溶解，得溶液B；待溶液A完全溶解后迅速加入溶液B，恒温搅拌均匀，获得混合溶液。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1中，配置溶液A时的加热温度为6...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立锋，桂吉祥，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：