一种钒酸镍/碳纳米管复合纳米球的制备及其应用

本发明属于纳米复合材料及其应用，具体涉及钒酸镍/碳纳米管（ni3v2o8/cnt）复合纳米球的制备及其在锂离子电池中的应用。

背景技术：

1、工业石墨已被广泛用于锂离子电池负极，但由于其比容量较低（372 ma h g-1），限制了其在锂离子电池中的进一步应用。因此，探索新型高能量、高功率密度的锂离子电池负极材料，提高其电化学性能是目前锂离子电池的重要研究方向之一。

2、过渡金属钒酸盐材料由于其中钒具有多重价态，使该类电极材料具有较高的电极比容量，同时也有利于电池应用于较宽的电位区间。因而，金属钒酸盐被认为锂离子电池极具有发展潜力的阳极材料。其中钒酸镍电极材料具有较高比容量、优异的速率性能、环境友好等优点，同时镍的价格仅为钴的三分之一，成本低廉，因而是一类极具应用前景的锂离子电池新型负极材料[lu y, nai j w, lou x w. formation of nico2v2o8 yolk-doubleshell spheres with enhanced lithium storage properties. angewandte chemieinternational edition, 2018, 57(11): 2899-2903; yang g z, li s y, wu m m, etal. zinc pyrovanadate nanosheets of atomic thickness: excellent li-storageproperties and investigation of their electr℃hemical mechanism. journal ofmaterials chemistry a, 2016, 4(28): 10974-10985.]。然而，钒酸镍作为锂离子电池负极材料在实际应用中也存在一些缺点，金属钒酸盐材料的导电性能较差，在充放电过程中体积膨胀巨大，容易粉化，导致活性物质从集流体上脱落，进而显著影响循环稳定性。且目前制备的金属钒酸盐材料比表面积不高，影响其电化学性能。为了解决以上钒酸镍固有的缺点，改善钒酸镍作为锂离子电池负极材料的电化学性能，近年来，研究人员从钒酸镍电极材料微纳米化、表面包覆、复合化等方面进行了重点研究。特殊纳米结构除可抑制充放电过程中的体积效应，改善电极材料的循环稳定性，如空心球、多孔和超细颗粒等形貌，特别是超细纳米颗粒因其超小的粒径，赋予了其超凡的性能。而在诸多碳基材料中，碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，管壁六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能[wang c, fang d, wang h e, et al. uniform nickel vanadate (ni3v2o8) nanowirearrays organized by ultrathin nanosheets with enhanced lithium storageproperties. scientific reports, 2016, 6: 20826- 20834; sambandam b,soundharrajan v, song j, et al. ni3v2o8 nanoparticles as an excellent anodematerial for high-energy lithium-ion batteries. journal of electroanalyticalchemistry, 2018, 810: 34-40; soundharrajan v, sambandam b, song j, et al.bitter gourd-shaped ni3v2o8 anode developed by a one-pot metal-organicframework-combustion technique for advanced li-ion batteries. ceramicsinternational, 2017, 43(16): 13224-13232.]。如何将碳纳米管与超细钒酸镍纳米颗粒结合起来，寻找一种简单可控的方法，缓解体积膨胀/收缩的现象所导致电极材料团聚粉化脱，对提升钒酸镍电极材料的循环稳定性具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种钒酸镍/碳纳米管复合纳米球ni3v2o8/cnt的制备及其在锂离子电池中的应用，使用该方法制备的钒酸镍/碳纳米管复合纳米球具有分散性好、比容量大、循环性能好、使用寿命长等特点。

2、一种钒酸镍/碳纳米管复合纳米球，是由下述方法制备的，它包括：

3、1）将300～500mg的偏钒酸铵粉末加入到30～50ml去离子水中，加热至60～80℃，搅拌，溶解后，冷却至室温；

4、2）称取30～60mgnicl2·6h2o和500～800mg镀镍碳纳米管，先后加入到步骤1）得到的偏钒酸铵溶液中，搅拌10～20min后，将50～70ml的无水乙醇缓慢加入上述溶液，搅拌混合均匀；

5、3）将步骤2）得到的混合溶液在温度160～200℃下，加热6～10h；离心分离，沉淀烘干，即得ni3v2o8/cnt复合纳米球。

6、步骤3）所述的烘干，是在50～70℃烘箱中烘干10～20h；

7、步骤3）所述的离心为5000～6000rpm，5～7min。

8、步骤1）所述的偏钒酸铵300mg，去离子水30ml；

9、步骤2）所述的nicl2·6h2o 30mg，镀镍碳纳米管500mg，无水乙醇50ml；

10、步骤3）温度为170℃，加热10h。

11、步骤1）所述的偏钒酸铵500mg，去离子水50ml；

12、步骤2）所述的nicl2·6h2o 60mg，镀镍碳纳米管800mg，无水乙醇70ml；

13、步骤3）温度为180℃，加热6h。

14、步骤1）所述的偏钒酸铵400mg，去离子水40ml；

15、步骤2）所述的nicl2·6h2o50mg，镀镍碳纳米管600mg，无水乙醇60ml；

16、步骤3）温度为190℃，加热6h。

17、本发明提供了一种钒酸镍/碳纳米管复合纳米球的制备及其应用，将nicl2·6h2o和镀镍碳纳米管加入偏钒酸铵溶液中，再缓慢加入无水乙醇，在温度160～200℃下，加热6～10h；离心分离，将沉淀烘干制得。首次采用一步水热法合成高分散、粒径均一的ni3v2o8/cnt复合纳米球。其独特的cnt缠绕主体结构，可以为电子的传输提供导电通路。超小的ni3v2o8纳米颗粒均匀镶嵌在cnt上，加快电子传输的同时，大大减小了锂离子的传输距离，提升ni3v2o8/cnt复合纳米球的电化学性能。使用本发明方法制备的ni3v2o8/cnt锂离子电池负极材料具有良好的循环稳定性能和倍率性能。

18、本发明具有如下优点：

19、1) 本发明合成方法简单，首次采用一步水热法合成高分散、粒径均一的ni3v2o8/cnt复合纳米球。

20、2) cnt缠绕的主体结构，可以为电子的传输提供导电通路，并加快电化学反应动力学。

21、3) 超小的ni3v2o8纳米颗粒均匀镶嵌在cnt上，提升电子传输速率的同时，大大减小了锂离子的传输距离，提升ni3v2o8/cnt复合纳米球的电化学性能。

22、4) 使用本发明方法制备的ni3v2o8/cnt复合纳米材料具有较高的容量和良好的循环稳定性能。