CN109461914A - 一种五氧化二钒纳米片与石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

五氧化二钒具有较好的储锂性能，为了提高其储锂性能和电极的倍率性能，需要将其制备为单分子层或者多分子层的二维纳米材料，同时为了提高其电导率，需要将其与电导率高的材料复合使用。本发明以“桶状”金属钛网或铂网为惰性阳极，将五氧化二钒和石墨的混合粉体材料加入其中，以镍、石墨或者铂为阴极，以硫酸盐水溶液为电解质，成功剥离出了厚度在1‑20纳米的五氧化二钒与石墨烯的复合材料。这种五氧化二钒纳米片与石墨烯复合材料具有优异的储锂性能。

Description

一种五氧化二钒纳米片与石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及储能电池领域，具体说是一种用电化学方法制备的具有较高储锂性能的五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合纳米材料。
背景技术
五氧化二钒具有优异的储锂性能，可以作为正极应用于锂离子电池中，具有较高的比容量和高倍率放电性能，因此，开发具有高储锂性能的五氧化二钒电极材料具有非常重要的意义，能够有效的提高锂离子电池的比容量和倍率性能。然而，五氧化二钒的电导率较低，需要将其与电导率较高的材料复合，以提高其电导率。
发明内容
为了提高五氧化二钒的储锂性能，本发明的目的在于提供一种二维的五氧化二钒与石墨烯的复合电极材料。该电极材料作为锂离子电池的正极材料时，具有良好的储锂性能和倍率性能，且充放电循环性能良好。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
以桶状的钛网或者铂网为惰性阳极，在其侧面和底部外侧紧密的覆盖一层有机聚合物薄膜，将五氧化二钒与石墨的混合粉体材料加入到惰性金属网之中，以硫酸盐水溶液作为电解质，在0.1-36V的直流电压下电化学剥离五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合纳米材料，温度控制在0-80oC，电化学剥离完成后，将电解液进行抽滤清洗，滤膜上所得固体即为含有大量五氧化二钒与石墨烯二维纳米片，然后将所得固体分散于异丙醇或者氮氮-二甲基甲酰胺溶液之中，在500-5000转/分的转速下离心分离1-30分钟，取上层离心液，而后将上层离心液再次在8000-10000转/分的转速下离心分离，所得固体材料即为五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合材料。
本发明的优良效果在于：
电化学剥离方法制备的五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合材料，可以在常温常压温和的条件下高效进行，且不需要单晶或者大块体的五氧化二钒，以最为常见的五氧化二钒与石墨粉体为原料。以电化学剥离的五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合材料作为锂离子电池的正极材料，可以有效提高锂离子电池的比容量、倍率性能和充放电循环稳定性。
1.本发明可以在温和的条件下制备五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合材料，且产率较高。
2.本发明以粉体五氧化二钒与石墨为原料，避免使用昂贵的单晶块体五氧化二钒材料。
3.采用本发明制备的五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合材料作为锂离子电池的正极材料，可以有效提高锂离子电池的比容量、倍率性能和循环稳定性。
具体实施方式
实施例1
在直径为2厘米，高为7厘米的桶状钛网外侧以及底部包覆一层目数为125000的聚丙烯薄膜，其中钛网的目数为100。以桶状钛网作为阳极，将5克五氧化二钒与石墨的混合粉体材料（质量比为1:1）加入到钛网中，以铂电极为阴极，以1 mol L-1浓度的硫酸铵水溶液为电解质。在室温下以15.0 V的直流恒电压电化学剥离，电化学剥离完成后，对电解液进行抽滤，用水清洗3次后，将抽滤出的固体材料溶入异丙醇溶剂之中，超声处理约15分钟，在3000转/分的转速下离心分离5分钟，然后再次将上层的溶液在8000转/分的转速下离心分离10分钟，倒掉上清液，水洗3次，冷冻干燥即可得五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合纳米材料，厚度在约1-20nm之间。
以此五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合纳米材料作为锂离子电池的正极材料，以金属锂片作为对电极，以含1mol-1的LiPF6的乙烯碳酸酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯（体积比为1:1:1）混合溶液为电解质，在1 A g-1、10Ag-1的电流密度下，电池比容量分别可达280mAh g-1、182 mAh g-1,在10A g-1的大电流下进行2000次充放电循环，容量衰减小于10%，在第2000次的充放电循环中，放电容量仍可达171 mAh g-1。
实施例2
在直径为4厘米，高为9厘米的桶状铂网外侧以及底部包覆一层目数为100000的聚丙烯薄膜，其中铂网的目数为80。以桶状铂网作为阳极，将50克五氧化二钒与石墨的混合粉体材料（质量比为2:1）加入到铂网中，以镍电极为阴极，以1 mol L-1浓度的硫酸钠水溶液为电解质，在室温下以20.0 V的直流恒电压电化学剥离，电化学剥离完成后，对电解液进行抽滤，用水清洗3次后，将抽滤出的固体材料溶入异丙醇溶剂之中，超声处理约60分钟，在3000转/分的转速下离心分离5分钟，然后再次将上层的溶液在10000转/分的转速下离心分离15分钟，倒掉上清液，水洗3次，冷冻干燥即可得五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合纳米材料，厚度在约1-20 nm之间。
以此五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合纳米材料作为锂离子电池的正极材料，以金属锂片作为对电极，以含1mol-1的LiPF6的乙烯碳酸酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯（体积比为1:1:1）混合溶液为电解质，在1 A g-1、10Ag-1的电流密度下，电池比容量分别可达260mAh g-1、140 mAh g-1,在10A g-1的大电流下进行2000次充放电循环，容量衰减小于20%，在第2000次的充放电循环中，放电容量仍可达121 mAh g-1。
实施例3
在直径为5厘米，高为8厘米的桶状钛网外侧以及底部包覆一层目数为125000的聚丙烯薄膜，其中铂网的目数为200。以桶状铂网作为阳极，将30克五氧化二钒与石墨的混合粉体材料（质量比为3:2）加入到钛网中，以石墨电极为阴极，以1 mol L-1浓度的硫酸钾水溶液为电解质，在室温下以25.0 V的直流恒电压电化学剥离，电化学剥离完成后，对电解液进行抽滤，用水清洗3次后，将抽滤出的固体材料溶入氮甲基吡咯烷酮溶剂之中，超声处理约25分钟，在3000转/分的转速下离心分离10分钟，然后再次将上层的溶液在10000转/分的转速下离心分离10分钟，倒掉上清液，水洗5次，冷冻干燥即可得五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合纳米材料，厚度在约1-20 nm之间。
以此五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合纳米材料作为锂离子电池的正极材料，以金属锂片作为对电极，以含1mol-1的LiPF6的乙烯碳酸酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯（体积比为1:1:1）混合溶液为电解质，在1 A g-1、10Ag-1的电流密度下，电池比容量分别可达234mAh g-1、152 mAh g-1,在10A g-1的大电流下进行2000次充放电循环，容量衰减小于15%，在第2000次的充放电循环中，放电容量仍可达136 mAh g-1。

Claims (10)

1.一种五氧化二钒纳米片与石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：通过电化学的方法将五氧化二钒与石墨的混合粉体材料剥离成五氧化二钒纳米片与石墨烯的复合纳米材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：五氧化二钒纳米片与石墨烯纳米片厚度均在0.8-20纳米之间。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：以“桶状”钛网或者铂网为惰性阳极，并且将五氧化二钒与石墨的混合粉体材料加入到惰性“桶状”阳极金属网之中。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，在五氧化二钒与石墨的混合粉体中，五氧化二钒与石墨粉体的质量比为1:99~99:1之间。
5.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于：钛或者铂网状结构的目数在50-10000之间。
6.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于：桶状阳极外侧及底部包覆有一层聚合物，其目数在1000-200000之间。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：电解质为硫酸化合物水溶液，硫酸化合物可以为硫酸钠、硫酸铵或者硫酸钾，其浓度在0.01molL-1 –饱和溶液之间。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：以镍、石墨或者铂为阴极。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：电化学剥离温度为0-80oC，在恒压模式下进行，槽电压为0.1-36V之间。
10.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述五氧化二钒与石墨烯复合纳米材料主要作为锂离子电池的正极材料，可以单独使用，也可以和其他材料复合使用。
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