[發明專利]還原氧化石墨烯包覆磷酸釩鈉的微米球納米材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201711217671.3
• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN107895789A
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 麥立強;朱婷;周志強;周亮
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/36
• 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領域，具體涉及還原氧化石墨烯包覆磷酸釩鈉微米球材料及其制備方法，該材料可作為鋅離子電池的正極活性材料。

背景技術

環境與能源危機的迫切需要解決，人們面臨著煤炭，石油資源的枯竭和環境惡化等重要問題，發展太陽能、風能等可再生能源已經成為全球性趨勢。但可再生能源的無規律性和不連續性等特點，使得開發和利用大規模能源存儲系統成為實現新能源技術的基礎和核心，因此開發可靠的環境友好型能量存儲系統已成為當前能源存儲領域的熱點與前沿。電化學能源存儲系統也因為具有較高的存儲效率、靈活的功率和較低維護成本等優點而備受關注。

在二次電池中，主要是以無水有機溶液為電解液，具有較寬的電位窗口，通常能實現較高的能量密度，但有機溶劑通常有毒且易燃，這就在使用中留下很大的安全隱患。電池必須在無水的條件下制作的苛刻條件也提高了其生產成本，這些因素便限制了其在大型儲能領域的應用。水系電解液代替有機電解液有望進一步降低電池生產成本，提高安全性。目前研究的水系鋰離子電池，質子在電解液中能夠穩定存在的電位窗口較窄，充放電過程中有很多的副反應，且電極材料在水中易溶解，金屬鋰的資源有限，價格昂貴，這一系列因素限制了水系鋰離子電池的發展。相較而言，鋅具有低平衡電位和氫反應的高過電位，同時具有資源豐富、低毒性及易處理等優點，價格低廉、安全性高、無環境污染和高功率的二次水系鋅離子電池是理想的綠色電池體系。但是目前大多數水系鋅離子電池的正極材料的循環性能差、庫倫效率較低‘和電壓平臺較低的問題，這極大限制了鋅離子的商業化應用，釩系鋅離子電池電極材料因其具有資源豐富、價格低廉的特點，成為二次電池正極材料的研究熱點。

磷酸釩鈉由于其快離子導體結構，使其作為鈉離子電池中具有較好的電壓平臺，較高的容量和良好的循環壽命。由于再首次充電過程中鈉離子的脫出，為鋅離子的嵌入提供位點。這為磷酸釩鈉作為鋅離子電池提供了技術可能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種還原氧化石墨烯包覆的磷酸釩鈉微米球納米材料及制備方法，其制備過程簡單，能耗較低，大批量獲得的Na₃V₂(PO₄)₃@rGO微米球納米材料具有良好的電化學性能，解決了釩系鋅離子電池正極材料電壓平臺較低，庫倫效率較差，容量快速衰減等缺點。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：還原氧化石墨烯包覆磷酸釩鈉的微米球納米材料，其化學式為Na₃V₂(PO₄)₃@rGO，其中微米球直徑為1μm-4μm，具有結晶性，其晶格間距為0.372nm。

所述的還原氧化石墨烯包覆磷酸釩鈉的微米球納米材料的制備方法，包括如下步驟：

1)將鈉源、磷源、釩源粉末依次加入去離子水中，溶解完全；

2)在步驟1)所得溶液中加入還原氧化石墨烯，繼續攪拌；

3)將步驟2)所得到的溶液進行噴霧干燥，干燥所得產品進行煅燒，煅燒后即為Na₃V₂(PO₄)₃@rGO微米球。

按上述方案，所述的鈉源為碳酸鈉或碳酸氫鈉，磷源為磷酸二氫銨或磷酸氫二銨，釩源為五氧化二釩或偏釩酸銨。

按上述方案，步驟1)所述碳酸鈉固體為2-4mmol或碳酸氫鈉為4-8mmol，磷酸二氫銨固體為6mmol或磷酸氫二銨固體為6mmol，五氧化二釩粉末為2mmol或偏釩酸銨為4mmol，去離子水為150mL。

按上述方案，步驟2)所述的還原氧化石墨烯為120-160mg。

按上述方案，步驟3)所述噴霧干燥溫度為160-220℃，循環氣流為80-100％，進樣泵為5％。

按上述方案，步驟3)煅燒溫度為700-750℃，煅燒時間為5小時，煅燒氛圍為氬氣，升溫速率為5℃/min。

所述的還原氧化石墨烯包覆的微米球納米材料作為水系鋅離子正極活性材料的應用。