[發(fā)明專利]一種碳納米管改性五氧化二釩復合材料及其制備方法和在水系鋅離子電池中的應用

在審

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• 申請日: 2022-12-02
• 公開（公告）號: CN115966664A
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發(fā)明（設計）人: 李芝華;劉夢妹
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/583;H01M10/36;H01M4/02
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本發(fā)明公開了一種碳納米管改性五氧化二釩復合材料及其制備方法和在水系鋅離子電池中的應用，復合材料由碳納米管摻雜多孔五氧化二釩制備而成，其合成方法是：將釩源和對苯二甲酸與碳納米管分散液混合均勻后，轉(zhuǎn)移到高壓反應釜內(nèi)進行溶劑熱反應，得到V?MOF@CNT前驅(qū)體；將V?MOF@CNT前驅(qū)體在空氣氣氛下熱解處理，即得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、電導率高和電化學性能優(yōu)異的碳納米管改性五氧化二釩復合材料。將其作為正極活性材料應用于水系鋅離子電池，獲得的電池具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)使用性能以及超高的放電比容量。

技術領域

本發(fā)明涉及一種水系鋅離子電池正極材料，具體涉及一種碳納米管改性五氧化二釩復合材料，還涉及其制備方法和在水系鋅離子電池中的應用，屬于新能源電池技術領域。

背景技術

目前對高性能儲能設備的需求，帶動了更高能量密度、更低成本、更長壽命、更環(huán)保的新型高性能儲能設備的儲能材料的發(fā)展。鋰離子電池(LIBs)因其較高的能量密度和較長的循環(huán)壽命而被認為是最有前途的儲能器件。然而，鋰離子電池的安全性和高成本阻礙了其作為大型儲能系統(tǒng)的應用。近年來，鋅因其作為鋰或鈉金屬的替代品而被用作可充電鋅離子電池(ZIBs)的材料。因此，開發(fā)水系、低成本、高能量密度的二次電池勢在必行。到目前為止，多價水相鋅離子電池(ZIBs)由于其低成本、可靠的安全性、高容量和低氧化還原電位(-0.76V?vs.標準氫電極)，在能量存儲方面具有令人印象深刻的前景。在這種情況下，研究了幾種ZIBs的正極材料，如釩基氧化物、錳基化合物、有機導電聚合物和普魯士藍類似物(PBAs)。然而，這些陰極仍然面臨著各種問題，例如，釩基氧化物的工作電壓低，錳基化合物的導電性和可逆性差，有機導電聚合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不理想，PBAs的容量和壽命較低。因此，在實際應用中必須通過優(yōu)化陰極的性能進一步發(fā)展水相鋅離子電池。

在各種釩基氧化物中，五氧化二釩因其優(yōu)良的能量密度、豐富的儲量和易于合成而受到廣泛的關注。然而，五氧化二釩仍存在由于體積變化導致的反應動力學緩慢和穩(wěn)定性差的問題。因此，考慮到五氧化二釩的獨特優(yōu)勢，將五氧化二釩與碳納米管(CNT)等高導電性添加劑結(jié)合，可以顯著提高五氧化二釩陰極的導電性和離子導電率，提高動力學和速率能力，是一種很有前途的策略。其中，碳納米管具有輕量級、高導電率、良好的機械靈活性的獨特優(yōu)點，更重要的是，具有低成本持續(xù)生產(chǎn)的成熟性，與ZIBs的廉價特點相匹配。該研究將為開發(fā)高性能水陰極提供有價值的參考。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術中五氧化二釩正極材料存在比表面積低、孔隙率差、電導率低等缺陷，本發(fā)明的第一個目的是在于提供一種由碳納米管摻雜在多孔五氧化二釩表面及內(nèi)部所構(gòu)成的碳納米管改性五氧化二釩復合材料，該復合材料具有較高的比表面積、良好的電導率、優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和較高電化學活性。

本發(fā)明的第二個目的是在于提供一種碳納米管改性五氧化二釩復合材料的制備方法，該方法操作簡單、成本低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。

本發(fā)明的第三個目的是在于提供一種碳納米管改性五氧化二釩復合材料的應用，將其作為水系鋅離子電池正極材料應用，能夠獲得較高的放電比容量、優(yōu)異倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能。

為了實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明提供了一種碳納米管改性五氧化二釩復合材料，其由碳納米管摻雜多孔五氧化二釩而形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)所構(gòu)成。

本發(fā)明的碳納米管改性五氧化二釩復合材料由碳納米管原位摻雜在多孔五氧化二釩表面及內(nèi)部所構(gòu)成。該復合材料具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)，可以增強整體材料的導電性，有效地促進電子的轉(zhuǎn)移，提升電池的倍率性能；碳納米管和多孔五氧化二釩之間具有緊密的界面作用，可以抑制電極在充放電循環(huán)過程中的正極材料結(jié)構(gòu)的坍塌，有效提升了電池整體的循環(huán)使用壽命；通過MOFs材料衍生的多孔五氧化二釩具有高的比表面積和孔隙率，可以提供更多的電化學反應活性位點，同時促進了鋅離子的遷移與擴散，實現(xiàn)快速的離子擴散動力學與較高的放電比容量。

作為一個優(yōu)選的方案，碳納米管與多孔五氧化二釩之間的質(zhì)量比為10～20:1。