[發明專利]一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法及其產品與應用

有效

• 申請號: 202010322918.3
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111509225B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 周江;馬雪梅;曹鑫鑫;梁叔全
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/48;H01M4/02;H01M4/04;H01M4/131;H01M4/1391;H01M10/05;H01M10/36;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;林毓俊

本發明公開了一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法及其產品與應用，包括以下步驟：1)將釩基化合物溶解于水中，得到釩基化合物溶液，然后在攪拌條件下向溶液中滴加有機胺，得到混合溶液；2)在攪拌條件下向混合溶液中滴加無機酸，滴加完畢后，繼續攪拌至混合均勻，得到反應液；3)將反應液轉至高壓水熱釜中，放入油浴鍋中，加熱至設定溫度，進行反應，反應完畢后，自然冷卻至室溫，然后將反應液進行抽濾，干燥后，得到釩基正極材料。本發明中的釩基正極材料是一種有機分子嵌入的納米線結構，其綜合了無機材料、有機材料以及獨特納米線結構的優良特性，彌補了釩氧化物的缺陷，具有良好的組裝性能，具有電化學性能優異，長循環穩定的特點。

技術領域

本發明屬于鋅離子電池領域，具體涉及一種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法及其產品與應用。

背景技術

在電池的研究歷程中，研究者們致力于開發高能量/功率密度、長循環壽命、安全性好、價格低廉的理想電池，以滿足人們對個人電子設備、電動汽車、大規模儲能設備及其他智能電網中的電力需求。自上世紀90年代Sony公司開發出第一代的鋰離子電池以來，它們憑借高能量/功率密度、自放電慢、循環壽命長等優點在電化學儲能領域占據主導地位。隨著鋰資源的匱乏導致的電池成本高昂，安全風險以及操作復雜等問題，使得高能量/功率密度、成本低廉、操作簡單、高安全性、環境友好的可充電水系鋅離子受到了廣泛關注，被認為是鋰材料最具有吸引力的替代品之一。而且，除電化學方面外，鋅資源豐富，價格比鋁略高，不到銅的三分之一，與鋰電池相比，鋅電池的成本會小得多。

正極材料是影響電池性能的直接因素，它既是提高電池比能量的關鍵，也是決定電池成本的最重要因素(約占電池成本的30％-40％)。因此，開發一個合適的正極材料很關鍵。現在所使用的鋅離子電池正極材料中，釩氧化物由于儲量大，釩具有+2～+5的可變價態，在電極材料中可以實現多電子轉移，實現高容量。此外，釩氧化物具有多種變體，其化學組成、晶體結構的差異都會導致電化學性能的不同，因而為開發高比能、高功率電極材料提供可能。釩氧化物獨特的層狀結構為Zn離子嵌入和脫出提供暢通的通道，被認為是鋅離子電池的理想正極材料。但是由于它在嵌入/脫出鋅離子過程中會產生嚴重的體積變化，從而造成長循環不穩定以及小電流衰減過快等問題。Zn離子半徑較大，從而造成Zn離子不易脫出，阻礙離子擴散動力學。而有機分子的嵌入，一方面擴大了層狀結構的層間距，從而促進高性能鋅離子電池的離子脫出/嵌入動力學。另一方面作為層間支撐保持結構的穩定性，使得電池具有優異的長循環穩定性。迄今，相對于其他類型的電池，鋅離子電池的正極材料的研究仍處于起步階段，現有鋅離子電池正極材料數量有限，且效果并不十分理想。具有雙層結構的V₂O₅·nH₂O由于儲量豐富、制備簡單，層間距大等優點，被認為是一種具有應用前景的鋅離子電池正極材料(參考文獻：Yan.M,He.P,Chen.Y,Wang.S,Wei.Q,Zhao.K,Xu.X,Mai.L,Liu.J,Yang.J,“Water-Lubricated intercalation in V₂O₅·nH₂O for high-capacity and high-rate aqueous rechargeable zinc batteries”Adv Mater,2018(30):1703725)。然而，V₂O₅·nH₂O也具有層狀結構不穩定和導電性差是等缺點。

發明內容

本發明的目的是提供一種電化學性能優異，長循環穩定的鋅離子電池釩基正極材料的制備方法及其產品與應用。

本發明這種鋅離子電池釩基正極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將釩基化合物溶解于水中，得到釩基化合物溶液，然后在攪拌條件下向溶液中滴加有機胺，得到混合溶液；

2)在攪拌條件下向步驟1)中的混合溶液中滴加無機酸，滴加完畢后，繼續攪拌至混合均勻，得到反應液；