自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极及其制法与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极及其制法与应用。所述制法包括：使至少包含草酸氧钒、双氧水、钙源和碳纳米管纤维的混合反应体系发生水热反应，制得结晶的钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料；以及，以所述钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料为工作电极，并与对电极、电解液构成电化学反应体系进行原位电化学氧化处理，制得自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极。本发明专利技术以碳纳米管纤维作为基底和集流体，通过水热和原位电化学氧化两步，得到自支撑的无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极，显著提高了氧化钒纳米材料的电化学性能，可广泛用于可穿戴电化学储能材料。可穿戴电化学储能材料。可穿戴电化学储能材料。

【技术实现步骤摘要】
自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极及其制法与应用


[0001]本专利技术属于电极材料
，具体涉及一种自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极及其制法与应用。

技术介绍

[0002]随着可穿戴电子产品的快速发展，人们对柔性的供能器件提出了更高要求。可穿戴水系锌离子电池作为主流锂离子电池的最优候补，由于其锌阳极的高理论容量、水电解质的安全性以及丰富的锌元素储量，已经被深入研究。然而高性能阴极材料的缺憾阻碍了其实际应用，因此研究者们在设计具有高速率容量和良好稳定性的高性能阴极材料上付出了巨大努力，包括研究过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物和导电聚合物等。其中，钒基氧化物因其高理论容量、多样的晶体结构和可变的氧化态而成为最引人注目的阴极材料之一。尽管有这些优点，钒基氧化物通常表现出有限的容量和较差的循环稳定性，这是由于它们内在的动力学迟缓和结构不稳定。因此，开发合理的策略来构建具有丰富活性位点和耐久结构的高性能钒基阴极材料对可穿戴水系锌离子电池来说同时具有挑战性和巨大的意义。
[0003]与晶体材料相比，无定形材料由于其丰富的不饱和悬空键，已被证明拥有更多的各向同性离子扩散路径和更丰富的活性位点，所以金属氧化物晶体材料的非晶化被认为是实现增强循环稳定性和提高容量的最理想方法之一。然而，非晶化进一步放大了金属氧化物固有的电子导电性差的缺点，导致速率能力和功率密度低下。为了提高电子导电性，将非晶材料与高导电性材料包括石墨烯、MXene等的复合策略已被研究者们采用。但是，无定形材料和高导电性材料的简单物理接触、与制备过程繁琐、粉体的活性材料与导电基底之间的结合差等因素的存在，仍然使得这个问题未能从根本上改善。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极及其制法与应用，以克服现有技术的不足。
[0005]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0006]本专利技术实施例提供了一种自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极的制备方法，其包括：
[0007]使至少包含草酸氧钒、双氧水、钙源和碳纳米管纤维的混合反应体系发生水热反应，制得结晶的钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料；
[0008]以及，以所述钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料为工作电极，并与对电极、电解液构成电化学反应体系进行原位电化学氧化处理，制得自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极。
[0009]本专利技术实施例还提供了前述的制备方法制得的自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极。
[0010]本专利技术实施例还提供了前述的自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极于制备
可穿戴电化学储能材料或可穿戴设备中的应用。
[0011]本专利技术实施例还提供了一种纤维状水系锌离子电池，其包括前述的自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极。
[0012]本专利技术实施例还提供了一种可穿戴电化学储能装置，其包括前述的自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术以碳纳米管纤维作为基底和集流体，通过水热和原位电化学氧化两步，得到自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极，显著提高了氧化钒纳米材料的电化学性能，可广泛用于可穿戴电化学储能材料。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1a为本专利技术实施例1中制备的钙掺杂二氧化钒@碳纳米管纤维的SEM图；
[0016]图1b
‑
图1c分别为本专利技术实施例1中制备的无定型钙掺杂五氧化二钒@碳纳米管纤维的低倍和高倍的SEM图；
[0017]图2为本专利技术实施例1制备的无定型钙掺杂五氧化二钒@碳纳米管纤维、对照例1制备的二氧化钒@碳纳米管纤维、对照例2制备的无定型五氧化二钒@碳纳米管纤维和对照例3制备的钙掺杂二氧化钒@碳纳米管纤维的XRD图；
[0018]图3为本专利技术实施例1制备的无定型钙掺杂五氧化二钒@碳纳米管纤维、对照例1制备的二氧化钒@碳纳米管纤维、对照例2制备的无定型五氧化二钒@碳纳米管纤维和对照例3制备的钙掺杂二氧化钒@碳纳米管纤维作为阴极的锌离子电池的EIS对比图；
[0019]图4为本专利技术实施例1制备的无定型钙掺杂五氧化二钒@碳纳米管纤维、对照例1制备的二氧化钒@碳纳米管纤维、对照例2制备的无定型五氧化二钒@碳纳米管纤维和对照例3制备的钙掺杂二氧化钒@碳纳米管纤维作为阴极的锌离子电池的循环对比图；
[0020]图5为本专利技术实施例1制备的无定型钙掺杂五氧化二钒@碳纳米管纤维、对照例1制备的二氧化钒@碳纳米管纤维、对照例2制备的无定型五氧化二钒@碳纳米管纤维和对照例3制备的钙掺杂二氧化钒@碳纳米管纤维作为阴极的锌离子电池的GCD对比图。
具体实施方式
[0021]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是金属离子掺杂、以及非晶化钒基氧化物两种合理的方案。金属离子的掺杂有效提高了电极材料的电子导电性，并且不引入可能带来能量损失的新界面。钒基氧化物的非晶化引入了更多的活性位点与扩散路径，有利于离子的嵌入脱出。因此，发展无定型的金属离子掺杂的过渡金属化合物纳米材料纤维电极的制备对于可穿戴储能器件至关重要。
[0022]下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]具体的，作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的一种自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极的制备方法包括：
[0024]使至少包含草酸氧钒、双氧水、钙源和碳纳米管纤维的混合反应体系发生水热反应，制得结晶的钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料；
[0025]以及，以所述钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料为工作电极，并与对电极、电解液构成电化学反应体系进行原位电化学氧化处理，制得自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极。
[0026]在一些优选实施方案中，所述制备方法具体包括：将草酸氧钒溶液与双氧水混合，再加入钙源和溶剂并搅拌混合，然后将碳纳米管纤维置于所获混合溶液并于160～190℃进行水热反应，制得所述结晶的钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料。
[0027]进一步地，所述草酸氧钒溶液、双氧水、钙源与溶剂的体积比为10～12∶1～5∶20～40。
[0028]进一步地，所述双氧水的质量分数为30～35％。
[0029]进一步地，所述草酸氧钒溶液与氯化钙的用量比为10～12ml∶0.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极的制备方法，其特征在于，包括：使至少包含草酸氧钒、双氧水、钙源和碳纳米管纤维的混合反应体系发生水热反应，制得结晶的钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料；以及，以所述钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料为工作电极，并与对电极、电解液构成电化学反应体系进行原位电化学氧化处理，制得自支撑无定型钙掺杂五氧化二钒纤维电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括：将草酸氧钒溶液与双氧水混合，再加入钙源和溶剂并搅拌混合，然后将碳纳米管纤维置于所获混合溶液并于160～190℃进行水热反应，制得所述结晶的钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述草酸氧钒溶液、双氧水、钙源与溶剂的体积比为10～12∶1～5∶20～40；和/或，所述双氧水的质量分数为30～35％；和/或，所述草酸氧钒溶液与氯化钙的用量比为10～12ml∶0.4～4mmol；和/或，所述钙源包括氯化钙；和/或，所述溶剂包括乙醇；和/或，所述水热反应的时间为20～25h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括：以所述钙掺杂二氧化钒纳米阵列/碳纳米管纤维复合材料为工作电极，以锌电极作为参比电极和对电极，以锌盐溶液为电解液，从而组成所述电化学反应体系。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张其冲，郭嘉斌，韩力杰，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：