[發明專利]釩氧化物/碳納米管柔性薄膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201611046722.6
• 申請日: 2016-11-23
• 公開（公告）號: CN106784652A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 麥立強;魏湫龍;潘燁欣;譚雙雙
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/587;H01M10/0525;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，具體涉及一種高倍率的釩氧化物/碳納米柔性管薄膜及其制備方法和應用，該材料可作為高能量、高倍率、長壽命柔性鋰離子電池正極活性材料。

背景技術

鋰離子電池作為一種綠色化學存儲器件，已廣泛應用于手機、數碼相機、筆記本電腦等便攜設備，并逐步成為動力移動電源的最佳選擇。因此，研究大容量、高功率、長壽命、低成本的鋰離子電池是當前低碳經濟時代鋰離子電池研究的前沿和熱點之一。而隨著現代科學技術的發展，越來越多的便攜電子產品逐漸向可穿戴、可折疊、柔性發展，這就要求為電子產品供能的儲能器件具有輕、薄、韌的特點，更說明柔性器件的開發將會是儲能裝置未來發展的一個必然趨勢。而很多電極材料質地較脆，不具備柔性的特點。為了在柔性器件中得到運用，鋰離子電池的電極材料需要實現較高的柔韌性及機械強度。

釩氧化物作為典型的層狀金屬氧化物，由于其多種氧化態和配位多面體的存在使其擁有能夠可逆地嵌入脫出鋰離子，而被視為極具潛力的鋰離子電池材料。但是普通的釩氧化物電極材料顆粒較大，形狀不均一，難以實現可彎曲的特點。釩氧化物納米帶由于其較高的長寬比及超薄的厚度，可以實現一定的柔韌性，可被用于柔性薄膜電極的制備。但一般的超薄納米帶易發生自團聚，難以實現有序的層層組裝，影響了材料的倍率性能和循環穩定性。將納米帶進行三維多孔凝膠化，可以使納米帶相互連通并抑制帶層之間的無序堆疊與自團聚，有利于后續薄膜材料的均勻復合和有序組裝。同時，引入的碳納米管形成了高導電網絡，實現了離子與電子的雙連續輸運暢通，使得釩氧化物的倍率性能進一步改善，同時保持優異的循環穩定性，并且增強了薄膜的機械強度。近年來，釩氧化物/碳納米管復合材料作為鋰離子電池正極材料已被逐步研究，但是釩氧化物/碳納米管柔性薄膜電極仍未報道。

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釩氧化物/碳納米管柔性薄膜及其制備方法，其工藝簡單，資源豐富，所得的釩氧化物/碳納米管柔性薄膜電極正極材料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：釩氧化物/碳納米管柔性薄膜，其由釩氧化物納米帶、釩氧化物納米卷和碳納米管層層堆疊而成，薄膜厚度為40～160微米，其中釩氧化物納米帶厚度為6～10納米，釩氧化物納米卷由釩氧化物納米帶卷曲而成，直徑為0.3～1微米，長度為0.8～2微米，碳納米管外徑為8～15納米，長度為45～50微米。

釩氧化物/碳納米管柔性薄膜的制備方法，包括有以下步驟：

1)稱取聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30)與Li₂CO₃溶解在去離子水中；

2)在步驟1)所得溶液中加入多壁碳納米管，超聲分散均勻；

3)在步驟2)所得溶液中加入五氧化二釩溶膠，繼續攪拌，并超聲分散；

4)將步驟3)所得溶液轉入反應釜中，在烘箱中反應；取出反應釜，自然冷卻至室溫；

5)將步驟4)所得產物充分攪拌打散后，使用混合纖維素濾膜作為抽濾紙，進行抽濾；

6)將步驟5)所得薄膜在濾紙上自然烘干后，將其剝離，并進一步將薄膜烘干；

7)將步驟6)所得薄膜裁剪即獲得釩氧化物/碳納米管柔性薄膜電極。

按上述方案，所述的聚乙烯吡咯烷酮的用量為17mg；所述的Li₂CO₃的量為0.1～0.2mmol；所述的多壁碳納米管的量為100～200mg；所述的五氧化二釩溶膠的用量為1.5mmol。

按上述方案，步驟4)所述的反應溫度為160～200℃；所述的反應時間為96～120小時。

按上述方案，混合纖維素濾膜的孔徑為0.10～0.45μm。

按上述方案，步驟5)所述的抽濾的量為5～20mL。

所述的釩氧化物/碳納米管柔性薄膜作為鋰離子電池正極活性材料的應用。

本發明利用釩氧化物/碳納米管柔性薄膜中超薄納米帶與碳納米管相互連接形成的高導電納米網絡，可實現離子與電子的雙連續輸運暢通，使其具備優異的倍率性能。同時納米卷夾嵌在帶層結構中可以較好地緩沖鋰離子嵌入脫出的膨脹收縮應力，碳納米管網絡可作為高強度的結構骨架，實現其優異的循環穩定性。