CN107658447B - 一种氮掺杂碳层包覆花球状v2o5的制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂碳层包覆花球状v2o5的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的制备方法，将偏钒酸铵溶解在的水和乙二醇的混合液体中得到A溶液；在A溶液中加人碳源和氮源得B溶液；将B置于具有聚四氟乙烯内村水热反应釜中，进行水热反应；反应结束后，随炉冷却至室温，离心出沉淀产物，真空干燥即得到氮掺杂碳层包覆V2O5的前驱体材料；将前驱体材料在充满惰性气体的管式炉中加热得到氮掺杂碳层包覆花球状的V2O5。本发明通过在碳层中掺入氮元素，将碳层包裹在V2O5的表面，有效地提高基体材料的电导率和锂离子的扩散速率，本发明所使用的碳源和氮源原材料价格低廉，对人体和环境无毒无污染，并且能够提高放电容量改善倍率性能，具有经济效益好，原材料来源广泛，绿色无污染、制备操作简单的特点。

Description

一种氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池正极材料的制备方法，具体涉及一种氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的制备方法。
背景技术
目前，随着电子产品的快速发展,如便携式电动工具、电动汽车、混合插电式电 动汽车，对锂离子电池的性能提出了更高的要求,越来越多的研究者针对锂离子电池 性能的提升展开广泛的的研究。
我国钒资源丰富，钒氧化物、钒酸盐以及衍生物作为一种重要的储能材料被科研工作人员广泛的研究和开发，其中V2O5作为锂离子电池正极材料，其理论比容量高 达440mAh g-1,相对于目前商业化应用的锂离子电池正极材料LiCoO2、LiMn2O4、 LiV3O8，V2O5具有理论比容量高的特点，并且由于钒元素存在多种价态(如V+5、V+4、 V+3)，能够实现在电池充放电过程中存在多个充放电平台，在某种程度上有利于锂离 子电池比容量的提高。虽然V2O5具有较高的理论比容量，但在实际的测试中，放电 比容量只能达到300mAh g-1左右，这主要是由于在电化学反应过程中，V2O5本身存 在电导率低、锂离子扩散速率慢的特点。
现有的V2O5复合碳材料作为锂离子电池正极材料及制备方法，如发明专利“一 种V2O5纳米颗粒/石墨烯锂离子电池正极材料及其制备方法”中，首先利用天然石墨， 采用改良Hummer法合成氧化石墨，将其分散在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，再 加入一定量的乙酰丙酮钒(IV)(C5H8O2V),在200℃下水热反应20h，合成尺寸为 20-40nm的在石墨烯表面上分布的V2O5纳米颗粒。但是，该方法在制备过程中所使 用到的有机溶剂DMF属于易燃液体，与浓酸能发生剧烈反应，易产生爆炸的危险， 对于人体吸入及皮肤接触有害。与此同时，该方法对于反应条件要求较高，需要在长 时间的高温条件下反应。这种方法所制备出来的V2O5和石墨烯的复合材料只是物理 上的复合并没有形成键和复合，没有从根本上解决导电性差、锂离子传输速率低的问 题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效提高基体材料的电导率和锂离子的扩散速率，且所使用的碳源和氮源原材料价格低廉，对人体和环境无毒无污染，能够提高放 电容量改善倍率性能，制备操作简单的氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
步骤一：取0.5g-0.8g的偏钒酸铵溶解在60ml的水和乙二醇的混合液体中，加热搅拌至完全溶解，得到A溶液；
步骤二：在A溶液中加人0.1g的碳源，0.1g的氮源，搅拌至完全溶解，记为B 溶液；
步骤三：将B置于具有聚四氟乙烯内村水热反应釜中，在水热温度为140-180℃ 下保温4-8h；
步骤四：反应结束后，随炉冷却至室温，离心出沉淀产物，分别用水和无水乙醇 清洗后在60-80℃下真空干燥即得到氮掺杂碳层包覆V2O5的前驱体材料；
步骤五：将前驱体材料在充满惰性气体的管式炉中自室温以2℃/min的升温速率加热至350-400℃得到氮掺杂碳层包覆花球状的V2O5。
所述步骤一中水和乙二醇的质量比为3：2。
所述步骤一的加热温度为40-80℃。
所述步骤二的碳源为葡糖糖、天然石墨、Super P、碳纳米管、氧化石墨烯中任意一种。
所述步骤二的氮源为三聚氰胺、尿素或多巴胺。
所述步骤三的填充比为50-70％。
所述步骤三五的管式炉中惰性气体为Ar气气氛。
本发明通过在碳层中掺入氮元素，将碳层包裹在V2O5的表面，有效地提高基体 材料的电导率和锂离子的扩散速率，本发明所使用的碳源和氮源原材料价格低廉，对 人体和环境无毒无污染，并且能够提高放电容量改善倍率性能，具有经济效益好，原 材料来源广泛，绿色无污染、制备操作简单的特点。
本发明的有益效果为：
1、本发明所制备的产物中碳包覆层的存在有利于有利于提高V2O5材料的电导率。
2、通过在材料中掺入氮原子，使得(110)晶面向左偏移，引起的晶格畸变能够 给锂离子的脱嵌提供更多的活性位点。从而促使锂离子电池具有更高的可逆放电容量。
3、本发明所涉及到的制备方法，具有成本低，操作简单，可重复度高的特点。
附图说明
图1为本发明实施例2所制备的氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的XRD图谱；
图2为本发明实施例2所制备的氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的SEM照片。
图3为本发明实施例2所制备的氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的TEM照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
步骤一：取0.7g的偏钒酸铵溶解在60ml的水和乙二醇的混合液体中，其中水和 乙二醇的质量比为3：2，在40℃搅拌至完全溶解，得到A溶液；
步骤二：在A溶液中加人0.1g的葡糖糖，0.1g的三聚氰胺，搅拌至完全溶解， 记为B溶液；
步骤三：将B置于具有聚四氟乙烯内村水热反应釜中，填充比为50％，在水热 温度为140℃下保温6h；
步骤四：反应结束后，随炉冷却至室温，离心出沉淀产物，分别用水和无水乙醇 清洗后在80℃下真空干燥即得到氮掺杂碳层包覆V2O5的前驱体材料；
步骤五：将前驱体材料在充满Ar气气氛的管式炉中自室温以2℃/min的升温速 率加热至350℃得到氮掺杂碳层包覆花球状的V2O5。
实施例2：
步骤一：取0.8g的偏钒酸铵溶解在60ml的水和乙二醇的混合液体中，其中水和 乙二醇的质量比为3：2，在60℃搅拌至完全溶解，得到A溶液；
步骤二：在A溶液中加人0.1g的天然石墨，0.1g的尿素，搅拌至完全溶解，记 为B溶液；
步骤三：将B置于具有聚四氟乙烯内村水热反应釜中，填充比为60％，在水热 温度为180℃下保温6h；
步骤四：反应结束后，随炉冷却至室温，离心出沉淀产物，分别用水和无水乙醇 清洗后在80℃下真空干燥即得到氮掺杂碳层包覆V2O5的前驱体材料；
步骤五：将前驱体材料在充满Ar气气氛的管式炉中自室温以2℃/min的升温速 率加热至400℃得到氮掺杂碳层包覆花球状的V2O5。
从图1所示的XRD图谱可知，所有的强峰都清楚的显示出了与PDF卡片41-1426 相对应。说明所加入的氮原子掺杂碳包覆层并没有改变V2O5的晶体结构，也说明包 覆的碳层都是以无定形式的碳存在的。图2所示为所制备材料的SEM照片，材料形 貌主要为纳米棒自组装成的微米级的花球，这种疏松的结构有利于锂离子的脱嵌，能 够促进电解液与活性材料的接触。图3为TEM照片,右上方的插图为白色方框的放大 图，可以看出V2O5表面有碳层的包覆。
实施例3：
步骤一：取0.5g的偏钒酸铵溶解在60ml的水和乙二醇的混合液体中，其中水和 乙二醇的质量比为3：2，在60℃搅拌至完全溶解，得到A溶液；
步骤二：在A溶液中加人0.1g的Super P，0.1g的多巴胺，搅拌至完全溶解，记 为B溶液；
步骤三：将B置于具有聚四氟乙烯内村水热反应釜中，填充比为70％，在水热 温度为140℃下保温8h；
步骤四：反应结束后，随炉冷却至室温，离心出沉淀产物，分别用水和无水乙醇 清洗后在80℃下真空干燥即得到氮掺杂碳层包覆V2O5的前驱体材料；
步骤五：将前驱体材料在充满Ar气气氛的管式炉中自室温以2℃/min的升温速 率加热至350℃得到氮掺杂碳层包覆花球状的V2O5。
实施例4：
步骤一：取0.6g的偏钒酸铵溶解在60ml的水和乙二醇的混合液体中，其中水和 乙二醇的质量比为3：2，在60℃搅拌至完全溶解，得到A溶液；
步骤二：在A溶液中加人0.1g的碳纳米管，0.1g的三聚氰胺，搅拌至完全溶解， 记为B溶液；
步骤三：将B置于具有聚四氟乙烯内村水热反应釜中，填充比为55％，在水热 温度为180℃下保温8h；
步骤四：反应结束后，随炉冷却至室温，离心出沉淀产物，分别用水和无水乙醇 清洗后在80℃下真空干燥即得到氮掺杂碳层包覆V2O5的前驱体材料；
步骤五：将前驱体材料在充满Ar气气氛的管式炉中自室温以2℃/min的升温速 率加热至400℃得到氮掺杂碳层包覆花球状的V2O5。
实施例5：
步骤一：取0.7g的偏钒酸铵溶解在60ml的水和乙二醇的混合液体中，其中水和 乙二醇的质量比为3：2，在80℃搅拌至完全溶解，得到A溶液；
步骤二：在A溶液中加人0.1g的氧化石墨烯，0.1g的尿素，搅拌至完全溶解， 记为B溶液；
步骤三：将B置于具有聚四氟乙烯内村水热反应釜中，填充比为65％，在水热 温度为160℃下保温4h；
步骤四：反应结束后，随炉冷却至室温，离心出沉淀产物，分别用水和无水乙醇 清洗后在60℃下真空干燥即得到氮掺杂碳层包覆V2O5的前驱体材料；
步骤五：将前驱体材料在充满Ar气气氛的管式炉中自室温以2℃/min的升温速 率加热至380℃得到氮掺杂碳层包覆花球状的V2O5。
实施例6：
步骤一：取0.5g的偏钒酸铵溶解在60ml的水和乙二醇的混合液体中，其中水和 乙二醇的质量比为3：2，在50℃搅拌至完全溶解，得到A溶液；
步骤二：在A溶液中加人0.1g的碳纳米管，0.1g的多巴胺，搅拌至完全溶解， 记为B溶液；
步骤三：将B置于具有聚四氟乙烯内村水热反应釜中，填充比为70％，在水热 温度为150℃下保温7h；
步骤四：反应结束后，随炉冷却至室温，离心出沉淀产物，分别用水和无水乙醇 清洗后在70℃下真空干燥即得到氮掺杂碳层包覆V2O5的前驱体材料；
步骤五：将前驱体材料在充满Ar气气氛的管式炉中自室温以2℃/min的升温速 率加热至360℃得到氮掺杂碳层包覆花球状的V2O5。

Claims (4)

1.一种氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：取0.5g-0.8g的偏钒酸铵溶解在60ml的水和乙二醇的混合液体中，加热搅拌至完全溶解，得到A溶液；
步骤二：在A溶液中加人0.1g的碳源，0.1g的氮源，搅拌至完全溶解，记为B溶液；
步骤三：将B置于具有聚四氟乙烯内衬水热反应釜中，在水热温度为140-180℃下保温4-8h，填充比为50％-70％；
步骤四：反应结束后，随炉冷却至室温，离心出沉淀产物，分别用水和无水乙醇清洗后在60-80℃下真空干燥即得到氮掺杂碳层包覆V2O5的前驱体材料；
步骤五：将前驱体材料在充满惰性气体的管式炉中自室温以2℃/min的升温速率加热至350-400℃得到氮掺杂碳层包覆花球状的V2O5；
所述步骤一中水和乙二醇的质量比为3：2；
所述步骤一的加热温度为40-80℃。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的制备方法，其特征在于：所述步骤二的碳源为葡萄糖、天然石墨、Super P、碳纳米管、氧化石墨烯中任意一种。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的制备方法，其特征在于：所述步骤二的氮源为三聚氰胺、尿素或多巴胺。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂碳层包覆花球状V2O5的制备方法，其特征在于：所述步骤五的管式炉中惰性气体为Ar气气氛。
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