一种五氧化二钒插层材料及其制备方法及其在水系锌离子电池中的应用

1.本发明属于锌离子电池技术领域，具体涉及一种五氧化二钒插层材料及其制备及其在水系锌离子电池中的应用。


背景技术：

[0002]v2
o5是水系锌离子电池正极材料的重要选材之一。为了进一步提高电池容量，插层型钒基氧化物得以广泛研究。nh4+-v2o5是一种铵根插层v2o5的材料。铵根进入v2o5层间，起到扩大层间距的作用，进而促进锌离子在充放电过程中的嵌入脱出，在提高锌离子电池的容量和倍率性能方面具有实用性意义。但目前的合成方法多局限于水热合成法，且存在条件苛刻、产率较低等问题。


技术实现要素：

[0003]
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种五氧化二钒插层材料及其制备方法及其在水系锌离子电池中的应用，本发明一步煅烧法制备铵根插层五氧化二钒材料，实现了插层材料的简单合成。并且，在受热均匀的前提下，一步煅烧法对所使用原料质量的限制较小，且产率能够达到80％，因此产量也得以提高。
[0004]
本发明提供了一种五氧化二钒插层材料的制备方法，包括以下步骤：
[0005]
将偏钒酸铵在惰性气氛条件下煅烧，得到铵根插层五氧化二钒材料。
[0006]
优选的，所述煅烧的温度为300～500℃，时间为2～3h。
[0007]
优选的，所述煅烧的温度为300℃，时间为2h。
[0008]
优选的，所述惰性气氛条件为氩气气氛条件。
[0009]
本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的五氧化二钒插层材料。
[0010]
本发明还提供了一种上述五氧化二钒插层材料在水系锌离子电池中的应用。
[0011]
本发明还提供了一种上述五氧化二钒插层材料在作为催化剂中的应用。
[0012]
与现有技术相比，本发明提供了一种五氧化二钒插层材料的制备方法，包括以下步骤：将偏钒酸铵在惰性气氛条件下煅烧，得到铵根插层五氧化二钒材料。本发明生产工艺流程简单，产量可控。本发明中使用的原料来源广泛、价格便宜，生产成本低。本发明生产过程安全，在惰性气体保护下退火，安全无害。本发明对环境无害，不产生废液、废料，并且产生的nh4+-v2o5材料用途广泛，不仅可以用于储能领域的电极材料，还可以用于催化等领域。
附图说明
[0013]
图1为实施例1产物nh4+-v2o5材料扫描电镜照片；
[0014]
图2为实施例1产物nh4+-v2o5材料透射电镜照片；
[0015]
图3为实施例1产物nh4+-v2o5材料x射线衍射图谱；
[0016]
图4为实施例2产物nh4+-v2o5材料x射线衍射图谱；
[0017]
图5为实施例3产物nh4+-v2o5材料x射线衍射图谱；
[0018]
图6为实施例4产物nh4+-v2o5材料x射线衍射图谱；
[0019]
图7为实施例3产物nh4+-v2o5材料扫描电镜照片；
[0020]
图8为实施例4产物nh4+-v2o5材料扫描电镜照片；
[0021]
图9为实施例1产物nh4+-v2o5材料锌离子电池倍率性能图；
[0022]
图10为实施例4产物nh3h2o-v2o5材料锌离子电池倍率性能图。
具体实施方式
[0023]
本发明提供了一种五氧化二钒插层材料的制备方法，包括以下步骤：
[0024]
将偏钒酸铵在惰性气氛条件下煅烧，得到铵根插层五氧化二钒材料。
[0025]
具体的，本发明首先将偏钒酸铵置于石英管中。在煅烧升温前需提前预通惰性气体5～10min，排除石英管中的氧气。
[0026]
然后在惰性气氛条件下煅烧，得到铵根插层五氧化二钒材料。
[0027]
其中，所述惰性气氛条件优选为氩气气氛条件。
[0028]
所述煅烧的温度为300～500℃，优选为300、400、500，或300～500℃之间的任意值，时间为2～3h，优选为2h。
[0029]
在本发明的一些具体实施方式中，所述煅烧温度为300℃，时间为2h。温度过高，所得样品结晶性高，主体为v2o5，作为锌离子电池的正极材料使用时性能较差，不利于实际应用。
[0030]
本发明还提供了一种采用上述制备方法制备得到的铵根插层五氧化二钒材料(nh4+-v2o5材料)。
[0031]
在本发明中，所述nh4+-v2o5材料的粒径为1～10μm。
[0032]
本发明还提供了一种上述五氧化二钒插层材料在水系锌离子电池中的应用。
[0033]
其中，所述五氧化二钒插层材料作为水系锌离子电池正极的正极活性材料。本发明对于正极的制备没有特殊限制，本领域技术人员公知的方法即可。
[0034]
本发明制备的nh4+-v2o5材料在水系锌离子电池中体现出较高的容量以及较优的倍率性能。
[0035]
本发明还提供了一种上述五氧化二钒插层材料在作为催化剂中的应用。
[0036]
本发明生产工艺流程简单，产量可控。本发明中使用的原料来源广泛、价格便宜，生产成本低。本发明生产过程安全，在惰性气体保护下退火，安全无害。本发明对环境无害，不产生废液、废料，并且产生的nh4+-v2o5材料用途广泛，不仅可以用于储能领域的电极材料，还可以用于催化等领域。
[0037]
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的五氧化二钒插层材料及其制备及其在水系锌离子电池中的应用进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
[0038]
实施例1
[0039]
将1g偏钒酸铵均匀地置于瓷舟内，在氩气气氛保护下以300℃退火2h，即可获得nh4+-v2o5材料。
[0040]
参见图1～3，图1为实施例1产物nh4+-v2o5材料扫描电镜照片；图2为实施例1产物
nh4+-v2o5材料透射电镜照片；图3为实施例1产物nh4+-v2o5材料x射线衍射图谱。由图1～图3可知，所得的nh4+-v2o5表面出现明显的纳米片结构。xrd中(001)晶面的偏移体现出铵根的插层使得v2o5层间距增大。这也进一步体现在tem图中显示的(001)晶面的晶格条纹。。
[0041]
水系锌离子电池的制备：将nh4+-v2o5材料、导电炭黑super p及粘结剂pvdf以7:2:1的比例混合均匀，并加入250μl的nmp溶剂进一步混合均匀，涂覆在半径为6mm的钢网上，在70℃烘箱中预烘干30分钟，再在100℃真空烘箱中烘干12h。将上述电极片作为正极，锌金属片作为负极，10mm半径滤纸作为隔膜，3m三氟甲烷磺酸锌溶液作为电解液，组装扣式电池。
[0042]
对上述制备得到的水系锌离子电池进行性能测定，具体方法为：在室温下，利用land ct2001a电池测试系统对电池进行性能测试。电压范围为0.2～1.8v，倍率性能测试的电流密度在0.1～5ag-1
之间。
[0043]
结果见图9，图9为实施例1产物nh4+v2o5材料锌离子电池倍率性能图。由图9可知，nh4+-v2o5正极材料体现出较好的倍率性能。在5ag-1
的高电流密度下，电池容量仍然能达到250.0mah g-1
，且库伦效率接近100％。
[0044]
实施例2
[0045]
本实施方式与实施例1不同的是：步骤a中退火温度为400℃，其他与实施例1相同。参见图4，图4为实施例2产物nh4+-v2o5材料x射线衍射图谱。
[0046]
实施例3
[0047]
本实施方式与实施例1不同的是：步骤a中退火温度为500℃，其他与实施例1相同。参见图5和图7，图5为实施例3产物nh4+-v2o5材料x射线衍射图谱，图7为实施例3产物nh4+-v2o5材料扫描电镜照片。
[0048]
实施例4
[0049]
本实施方式与实施例1不同的是：将前驱体偏钒酸铵换成氨水和v2o5，以80℃、400rmp转速磁力搅拌加热的方式蒸干得到凝胶状前驱体，并将该前驱体在50℃烘箱中进干燥12h，退火条件与实施例1相同。
[0050]
参见图6，图8和图10，图6为实施例4产物nh3h2o-v2o5材料x射线衍射图谱，图8为实施例4产物nh3h2o-v2o5材料扫描电镜照片，图10为实施例4产物nh3h2o-v2o5材料锌离子电池倍率性能图。由图6和图8可知，xrd中的(001)峰较弱，且sem图中nh3h2o-v2o5材料的形貌较为零碎。这说明将氨水作为插层的前驱体，会使得插层不完全。由图10可知，相比于nh4+-v2o5材料，这种不完全插层的nh3h2o-v2o5材料性能相对较差。
[0051]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。