CN102208631A - 超长单晶v2o5纳米线/石墨烯正极材料及制备方法 - Google Patents

超长单晶v2o5纳米线/石墨烯正极材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种超长单晶V2O5纳米线/石墨烯正极材料及制备方法,属于锂离子电池电极材料及其制备领域。V2O5纳米线/石墨烯正极材料是由二维石墨烯纳米片与一维V2O5纳米线组成,超长单晶V2O5纳米线有序的分布在透明的石墨烯纳米片表面和层间,形成一种三明治结构。制备方法是:首先分别将钒氧化物粉末和市售石墨分散在去离子水中,再加入氧化剂并充分搅拌均匀,超声,然后将二者混合放入高压釜,在一定温度保持若干时间,真空干燥后得到超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料。优点在于,复合正极材料的首次放电容量、倍率性能及电化学循环稳定性都得到显著的提高。工艺简单、环保,操作方便,易于实现规模化生产。

Description

超长单晶V2O5纳米线/石墨烯正极材料及制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池电极材料及其制备技术领域,特别是提供了一种超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料的制备方法,并且这种超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料表现出良好的电化学性能。
背景技术
锂离子电池是20世纪70年代后发展起来的一种新型电池,由Sony公司于1990年率先投入商业化。由于锂离子电池有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应和对环境友好等优点,在实际应用中显示出无法取代的巨大优势,广泛应用于移动电话、笔记本电脑、电动汽车、武器装备等。
近年来,锂离子电池的产量快速增长,应用领域不断扩大,已成为影响国际民生的重要高新技术产品。然而,正极材料研究较为滞后,成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的关键。目前,研究、应用最多的正极材料包括“LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4,LiFePO4”等,而V2O5以其可嵌入结构、高容量、低成本、资源丰富等优点,成为最具有发展前途的可充锂电池正极材料。
V2O5,具有二维层状结构,属三斜方晶系,在这种结构中,V处于由5个O原子所包围的一个畸变了的四方棱锥体中的中间,V原子与5个O原子形成5个V-O键,因此V2O5,结构可以看作VO4四面体单元通过桥氧结合为链状,链与链之间通过双键氧与下一条链上的V作用构成锯齿的层状排列结构,从结构上看,分子或原子嵌入V2O5,拉大了层间距离,从而削弱了V2O5层对Li+的静电作用,同时Li+与嵌入物之间具有较好的相容性,使其能较好的脱嵌。V2O5电化学嵌/脱锂离子的电位窗口为4.0~1.5V(vs.Li/Li+),每个V2O5最多能够嵌入3个Li+,且其理论放电容量可达442mAh g-1,因此我们预计正极材料V2O5可满足下一代锂离子电池能量密度高和比容量大的需求。
自从Whittingham在1975年首次报道锂离子能可逆地嵌入到V2O5中,人们已对V2O5的电化学性质进行了大量的研究,发现它电子导电率低(10-2-10-3S/cm)和锂离子扩散系数小(10-12-10-13cm2/s)等问题,这些限制了V2O5在实际应用中的嵌入容量和倍率性能。为克服V2O5存在的问题,人们研究采取了多种改性措施和方法,这主要包括制备纳米结构的V2O5和掺杂活性碳。
纳米尺度的V2O5可以提高锂离子的扩散系数,因为纳米材料具有较大的表面积和短的扩散路径,可以提供更多的电化学活性位点和减弱电极材料的浓度极化。目前,人们已合成了大量的纳米结构V2O5,如纳米带、纳米线、纳米棒、纳米卷、空心微球等。我们课题组也合成出几十毫米长的V2O5纳米线,并且在电流密度50mA/g下进行充放电性能测试,其首次放电容量高达351mAh g-1,然而充放电循环20周后放电容量衰减到175mAh g-1。由此可知,纳米尺度的V2O5只能在一定程度上提高它的电化学活性。
具有高电导率的V2O5是其作为锂离子电池正极材料的关键因素。掺杂导电碳可提高V2O5的电导率。Dunn课题组将V2O5气凝胶引入单壁碳纳米管,大倍率条件下放电,其首次放电容量高达400mAh g-1;Maier et al等人合成了一种V2O5/CTIT复合物,且表现出好的电化学活性,其中CTIT类似于电线,为活性材料提供电子;V2O5纳米线与碳纳米管的复合物也能够提高V2O5的电导率。
活性碳包括富勒烯、碳纳米管和石墨,石墨烯(GN)是其基本结构单元,为单原子厚度的碳原子层,近年才被发现的二维碳原子晶体。因其具有导电率高(103-104S/m),表面积大(ca.2630m2/g),蜂窝状结构和低成本等优点,成为炙手可热的导电支持体。在过去的几年中,人们致力于合成石墨烯纳米片为基础的功能材料,诸如Co3O4/GN,TiO2/GN,Fe3O4/GN,Sn/GN等。这些复合物大多是由二维的石墨烯纳米片(GNS)与零维纳米粒子结合,而2D GNS与1D纳米结构化合物结合的复合物报道甚少。目前,纳米结构的V2O5/GNS(或GONS)还没有报道。
石墨烯纳米片一般是按照Hummer的方法来合成,首先将石墨溶解在浓硫酸中,再用KMnO4和NaNO3氧化,最后得到剥离的石墨烯纳米片。然而,这种方法会产生大量有毒气体,如NO2,N2O4等。因此急需一种简单且环保的方法生产石墨烯纳米片。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料及其制备方法,较厚的石墨片先用H2O2和超声处理得到薄的石墨片,水热条件下较薄的石墨片会再次被H2O2和[VO4]-(V2O5粉末和H2O2反应的中间体)进攻,遂合成出剥离的石墨烯纳米片。与此同时,V2O5纳米线在石墨烯纳米片上同步行成。石墨烯纳米片表面上自组装的纳米线可以有效地减少GNS的重新堆叠和蜷曲。另一方面,具有高电导率的GNS有利于电子在复合材料中的传输,从而超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料表现出良好的电化学性能。
本发明的V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料由二维石墨烯纳米片与一维V2O5纳米线组成,超长单晶V2O5纳米线(大于10微米)有序的分布在透明的石墨烯纳米片表面和层间,形成一种三明治结构。
该超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料的制备方法按如下步骤进行:首先,将钒氧化物粉末溶解在去离子水中,形成溶液,再在机械搅拌下向上述溶液中加入氧化剂H2O2,室温持续搅拌2~4小时;同时,将片状商业石墨(质量百分比含量为钒氧化物的1~20%)溶解在去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入氧化剂H2O2并100W下超声降解4~15h;然后,将上述两种溶液混合放入高压釜,180~220℃下保持2~8天;最后,产物用去离子水清洗,离心30~120分钟,80~150℃真空干燥箱中烘干8~12小时,在空气气氛中400℃~450℃退火处理10~40分钟后得到超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料。
本发明所述的钒氧化物可以为五氧化二钒V2O5、二氧化钒VO2、三氧化二钒V2O3、V6O13中的一种;所述的氧化还原剂可以为双氧水、乙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇中的一种;所述的片状商业石墨可以为KS-6、KS-15、super-p、天然鳞片石墨、膨胀石墨中的一种。
采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM,Zeiss supra55)和透射电子显微镜(TEM)对超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料的形貌分析(图2、图3)表明,长约几十毫米的V2O5纳米线有序地分布在透明的石墨烯纳米片表面和层间,形成一种三明治结构;X射线衍射(XRD)分析(图4)表明最终产品分别含有GNS和正交晶系V2O5衍射峰,且V2O5纳米线/石墨烯复合材料中的GNS保持原有结构特征。
将采用本发明方法合成的超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料与市售乙炔黑导电剂和聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂按80∶15∶5的质量比混合,涂在集流体钛网上,80℃烘干后用冲片机制得直径为1cm的电极片,以金属锂片为负极,隔膜为标准的Entek PE,电解质溶液为EC+DMC+EMC+1mol/L LiPF6,在德国布劳恩公司UNlab型惰性气体手套箱(O2和H2O的含量均小于1ppm)内组装成实验电池。采用武汉蓝电CT2001A型电池测试系统进行电化学性能测试(结果见图5、图6、图7所示),与按照同样合成方法得到的纯V2O5纳米线相比,超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料的首次放电容量、倍率性能及电化学循环稳定性得到显著的提高。采用上海辰华的CHI650D电化学工作站正极材料进行测试,循环伏安曲线(图8)表明锂离子在超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料中能快速地嵌入/脱出,动力学明显提高。
本发明的实施效果及优点在于:水热条件下采用H2O2和超声降解法制得的剥离石墨烯纳米片,与文献报道合成GNS的制备方法相比,采用本发明的制备方法不会产生有毒气体,非常环保和简单。同时本发明制备的超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料,能够明显提高正极材料的首次放电容量、倍率性能及电化学循环稳定性,并且锂离子嵌入/脱出动力学特征有显著的提高。此外本发明的制备方法工艺简单、环保,操作方便,易于扩展制备系列钒氧化物/GNS复合锂离子电极材料,易于实现规模化生产。
附图说明
图1为超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料的合成机理。其中,(A)V2O5纳米线/GNS复合物的合成路线机理(B)V2O5纳米线/GNS复合物的理想电子传输路径
图2水热条件下石墨薄片剥离过程。
图3.V2O5纳米线/石墨烯复合物的SEM全景图。
图4为V2O5纳米线/石墨烯复合物的SEM局部图。
图5为纯V2O5纳米线的SEM全景图。
图5为V2O5纳米线/石墨烯复合物的TEM图。a.V2O5纳米线/石墨烯复合物的TEM全景图,b.V2O5纳米线/GNS复合物中的V2O5纳米线晶格图
图6V2O5纳米线/GNS复合物和纯V2O5纳米线的TEM图。c.V2O5纳米线/GNS复合物的三明治结构图,d.纯V2O5纳米线的TEM全景图。
图7为商业V2O5粉末、纯V2O5纳米线及采用本发明方法制备的V2O5纳米线/GNS复合物的XRD谱图。横坐标为角度2θ,单位为:度(°),纵坐标为衍射强度,单位为:绝对单位(a.u.)。其中,
曲线(a)-商业V2O5粉末的XRD谱图;
曲线(b)-V2O5纳米线/GNS复合物的XRD谱图
曲线(c)-纯V2O5纳米线的XRD谱图。
图8为纯V2O5纳米线在不同电流密度下首次充放电曲线。横坐标为质量比容量,单位为:(毫安时/克);纵坐标为电压,单位为:伏。
图9为V2O5纳米线/石墨烯复合物在不同电流密度下的首次充放电曲线。
图10为纯V2O5纳米线及V2O5纳米线/GNS复合物在电流密度为0.2(0.5C)and 0.4A/g(1C)时的电化学循环性能曲线。横坐标为循环周期,单位为:周;纵坐标为质量比容量,单位为:(毫安时/克)。
图11为V2O5纳米线/石墨烯复合物在电流密度从0.4(1C)到1.6A/g(4C)时的电化学循环性能曲线。横坐标为循环周期,单位为:周;纵坐标为质量比容量,单位为:(毫安时/克)。
具体实施方式
实施例1
首先,将0.364g V2O5粉末(99.8%)溶解在20mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入4.0mL 30%H2O2并室温持续搅拌2小时;同时,将0.0182g(5wt%ofV2O5)商业石墨(KS-6)溶解在10mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入3.0mL30%H2O2并100W下超声降解6h;然后,将上述两种溶液混合放入50mL高压釜,205℃下保持5天;最后,产物用去离子水清洗,离心30分钟,80℃真空干燥箱中烘干12小时,再空气气氛中400℃退火处理30分钟,得到超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料。SEM和TEM分析(图2、图3、图4、图5、图6)表明,长约几十微米的V2O5纳米线有序地分布在透明的石墨烯纳米片表面和层间,形成一种三明治结构;X射线衍射(XRD)分析(图7)表明最终产品分别含有GNS和正交晶系V2O5衍射峰,且V2O5纳米线/石墨烯复合材料中的GNS保持原有结构特征。将所得超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料与市售乙炔黑导电剂和聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂按80∶15∶5的质量比混合,涂在集流体钛网上,80℃烘干后用冲片机制得直径为1cm的电极片,以金属锂片为负极,隔膜为标准的Entek PE,电解质溶液为EC+DMC+EMC+1mol/L LiPF6,在德国布劳恩公司UNlab型惰性气体手套箱(O2和H2O的含量均小于1ppm)内组装成实验电池。采用武汉蓝电CT 2001A型电池测试系统进行电化学性能测试(结果见图8、图9、图10所示),与按照同样合成方法得到的纯V2O5纳米线相比,超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料的首次放电容量、倍率性能及电化学循环稳定性得到显著的提高(图10)。
实施例2
首先,将0.182g V2O5粉末(99.8%)溶解在10mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入5.0mL异丙醇并室温持续搅拌4小时;同时,将0.0091g(5wt%ofV2O5)商业石墨(super-p)溶解在5mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入1.5mL异丙醇并100W下超声降解4h;然后,将上述两种溶液混合放入50mL高压釜,210℃下保持4天;最后,产物用去离子水清洗,离心30分钟,80℃真空干燥箱中烘干12小时,在空气气氛中400℃退火处理30分钟,得到VO2纳米棒/石墨烯复合正极材料。X射线衍射分析表明最终产品分别含有GNS和VO2衍射峰,且VO2纳米棒/石墨烯复合材料中的GNS保持原有结构特征,电化学测试结果表明VO2纳米棒/石墨烯复合正极材料具有良好的倍率性能和循环稳定性。
实施例3
将0.364g V6O13粉末溶解在20mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入4.0mL 30%H2O2并室温持续搅拌2小时;同时,将0.0364g(10wt%ofV6O13)商业可膨胀石墨溶解在10mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入3.0mL 30%H2O2并100W下超声降解12;然后,将上述两种溶液混合放入50mL高压釜,215℃下焙烧8天;最后,产物用去离子水清洗,离心30分钟,80℃真空干燥箱中烘干12小时,在空气气氛中400℃退火处理30分钟,得到纳米结构的钒氧化物/石墨烯复合正极材料。X射线衍射分析表明最终产品分别含有GNS和钒氧化物衍射峰,且电化学测试结果表明纳米结构的钒氧化物/石墨烯复合正极材料具有较高的首次充放电容量和动力学嵌入/脱出能力。
实施例4
将0.728g V2O3粉末溶解在40mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入8.0mL 30%H2O2并室温持续搅拌2小时;同时,将0.0364g(5wt%ofV2O3)商业石墨(KS-15)溶解在20mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入3.0mL 30%H2O2并100W下超声降解8;然后,将上述两种溶液混合放入50mL高压釜,190℃下焙烧8天;最后,产物用去离子水清洗,离心30分钟,80℃真空干燥箱中烘干12小时,在空气气氛中400℃退火处理30分钟,得到纳米结构的钒氧化物/石墨烯复合正极材料。X射线衍射分析表明最终产品分别含有GNS和钒氧化物衍射峰,且电化学测试结果表明纳米结构的钒氧化物/石墨烯复合正极材料具有良好的电化学循环性能。
实施例5
将0.364g VO2粉末溶解在20mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入4.0mL 30%H2O2并室温持续搅拌2小时;同时,将0.0182g(5wt%ofVO2)商业天然鳞片石墨溶解在10mL去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入3.0mL 30%H2O2并100W下超声降解4h;然后,将上述两种溶液混合放入50mL高压釜,185℃下焙烧6天;最后,产物用去离子水清洗,离心30分钟,80℃真空干燥箱中烘干12小时,再空气气氛中400℃退火处理30分钟,得到纳米结构的钒氧化物/石墨烯复合正极材料。X射线衍射分析表明最终产品分别含有GNS和钒氧化物衍射峰,且电化学测试结果表明纳米结构的钒氧化物/石墨烯复合正极材料具有良好的倍率性能和动力学嵌入/脱出能力。

Claims (5)

1.一种超长单晶V2O5纳米线/石墨烯正极材料,其特征在于:V2O5纳米线/石墨烯复正极材料由二维石墨烯纳米片与一维V2O5纳米线组成,超长单晶V2O5纳米线有序的分布在透明的石墨烯纳米片表面和层间,单晶V2O5纳米线大于10微米。
2.一种制备权利要求1所述超长单晶V2O5纳米线/石墨烯正极材料的方法,其特征在于,工艺步骤为:首先,将钒氧化物粉末溶解在去离子水中,形成溶液,再在机械搅拌下向上述溶液中加入氧化剂,室温持续搅拌2~4小时;同时,将片状商业石墨溶解在去离子水中,再在机械搅拌下向上述溶液中加入氧化剂并100W下超声降解4~15h;然后,将上述两种溶液混合放入高压釜,180~220℃下保持2~8天;最后,产物用去离子水清洗,离心30~120分钟,80℃~150℃真空干燥箱中烘干8~12小时,再空气气氛中400℃~450℃退火处理10-40分钟后得到超长单晶V2O5纳米线/石墨烯复合正极材料,片状商业石墨质量百分比含量为钒氧化物的1~20%。
3.按照权利要求2所述的方法,其特征在于:所述的钒氧化物为五氧化二钒V2O5、二氧化钒VO2、三氧化二钒V2O3、V6O13中的一种。
4.按照权利要求2所述的方法,其特征在于:所述的氧化还原剂为双氧水H2O2、乙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇中的一种。
5.按照权利要求2所述的方法,其特征在于:所述的片状商业石墨为KS-6、KS-15、super-p、天然鳞片石墨、膨胀石墨中的一种。
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