[發明專利]一種離子嵌入的釩氧化物超薄納米帶及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510298800.0
• 申請日: 2015-06-03
• 公開（公告）號: CN105006561B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 韓春華;麥立強;蔣周陽;魏湫龍
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/48
• 分類號: H01M4/48;B82Y30/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發明屬于納米材料與電化學技術領域，具體涉及一種離子嵌入的釩氧化物超薄納米帶及其制備方法，該材料可作為良好倍率性能的鈉離子電池正極活性材料。

背景技術

隨著生活水平的提高，手機、數碼相機、筆記本電腦等便攜設備已經成為我們生活中重要的組成部分。鋰電池是最有潛力的儲能系統之一，因其具有高的能量密度和長的循環壽命被廣受關注和使用。近幾年，純電動汽車和混合動力汽車等大型設備的發展迅速，鋰離子電池因其高能量和功率密度，環境友好而逐漸投入使用。因此對鋰的需求量也在日益增大。由于鋰在地球上儲量有限，使用成本較高，尋找一種可替代的能源物質非常有必要。鈉的物理性質和化學性質與鋰比較相似，并且儲量豐富，價格低廉，是一種很好的替代能源物質。但是，與鋰離子相比，鈉的離子半徑更大，體積是鋰離子的2.92倍，因此具有較差的動力學性能。

釩氧化物具有較好的層狀結構，理論容量較高，儲量豐富等優點，作為一種鋰離子正極材料而被廣泛研究。因其具有較大的層間距，作為鈉電池正極材料也同樣適用。但由于其層間距太大，層狀結構容易扭曲變形，結構坍塌，導電性差等缺點使其應用于鈉離子電池受到很大限制。超薄納米帶不僅提供了極短的鈉離子擴散距離，同時連續的電子傳輸路徑保證了良好的電子傳導，在儲能應用中具有巨大的優勢。此外，嵌入金屬離子到過渡金屬氧化物晶體結構層間能起到支柱的作用，達到穩定層狀結構的目的，避免結構的坍塌，同時也可以提高金屬氧化物的電子電導率。因此向超薄納米帶中嵌入金屬離子是一種有效的提高材料電化學性能的方法。

近年來，合成微納米結構的釩氧化物，通過獲得更短的離子/電子傳輸路徑從而提高其電化學動力學性能成為一大研究熱點，但通過這種一步水熱法實現離子嵌入的釩氧化物超薄納米帶的方法仍未被報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術而提出一種離子嵌入的釩氧化物超薄納米帶及其制備方法，其原料來源廣，制備工藝簡單，具有優良電化學性能。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種離子嵌入的釩氧化物超薄納米帶，其由釩氧化物的晶體層狀結構層間嵌入金屬離子，以使層間距在間進行調控，所述釩氧化物超薄納米帶的長為10～100μm，寬0.5～3μm，厚度為5～20nm，其為下述方法所得產物，包括有以下步驟：

1)稱取乙酰丙酮鹽溶解在去離子水中，充分攪拌溶解；

2)向步驟1)中所得溶液中緩慢加入V₂O₅溶膠，充分攪拌得到溶液，其中按摩爾比計，乙酰丙酮鹽：V₂O₅溶膠＝(0.05～1)：1；

3)將步驟2)所得的溶液轉入反應釜中，加熱進行反應，然后取出反應釜，自然冷卻至室溫；

4)將步驟3)所得產物進行離心分離，收集沉淀并分別用水和無水乙醇反復洗滌沉淀物；

5)將步驟4)所得沉淀分散在去離子水中，進行冷凍干燥；

6)將步驟5)冷凍干燥的產物緊接著進行加熱真空干燥，即得到離子嵌入的釩氧化物超薄納米帶。

按上述方案，步驟1)所述乙酰丙酮鹽為乙酰丙酮鐵、乙酰丙酮鈣、乙酰丙酮鋅或乙酰丙酮鉬。

按上述方案，步驟2)所得溶液中的五氧化二釩的濃度為0.008～0.025mol/L。

按上述方案，步驟3)所述的水熱反應溫度為140～200℃，反應時間為24～60小時。

按上述方案，步驟6)所述的真空干燥溫度為140～150℃，時間為3～6小時。

所述的離子嵌入的釩氧化物超薄納米帶的制備方法，包括有以下步驟：

1)稱取乙酰丙酮鹽溶解在去離子水中，充分攪拌溶解；

2)向步驟1)中所得溶液中緩慢加入V₂O₅溶膠，充分攪拌得到溶液，其中按摩爾比計，乙酰丙酮鹽：V₂O₅溶膠＝(0.05～1)：1；

3)將步驟2)所得的溶液轉入反應釜中，加熱進行反應，然后取出反應釜，自然冷卻至室溫；

4)將步驟3)所得產物進行離心分離，收集沉淀并分別用水和無水乙醇反復洗滌沉淀物；

5)將步驟4)所得沉淀分散在去離子水中，進行冷凍干燥；

6)將步驟5)冷凍干燥的產物緊接著進行加熱真空干燥，即得到離子嵌入的釩氧化物超薄納米帶。

所述的離子嵌入的釩氧化物超薄納米帶作為高倍率鈉離子電池正極活性材料的應用。