CN109467125A - 一种二维二氧化钒纳米片的制备方法 - Google Patents

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张长松
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Abstract

二氧化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，需要将其制备为单原子层或者多原子层的二维纳米材料。本发明以“桶状”金属钛网或铂网为阳极，将五氧化二钒粉体加入其中，以镍、石墨或者铂为阴极，以硫酸盐水溶液为电解质，经过电化学剥离以及随后与金属钛网的反应，成功制备出了厚度在1‑20纳米的二氧化钒二维纳米片。这种二氧化钒二维纳米片具有优异的储锂性能。

Description

一种二维二氧化钒纳米片的制备方法
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及还原反应法制备具有较高储锂性能的二氧化钒二维纳米材料。
背景技术
二氧化钒材料具有优异的储锂性能，可以作为负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二氧化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。
发明内容
为了提高二氧化钒材料的储锂性能，本发明的目的在于提供一种二氧化钒二维纳米片电极材料，具有良好的储锂性能和倍率性能。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，将五氧化二钒的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0.1-36 V的直流电压下电化学剥离二硫化钼或者二硫化钨，温度控制在0-80oC，电化学剥离完成后，向电解液中加入金属钛网，放置6-48小时，然后将电解液进行抽滤清洗，滤膜上所得固体即为含有大量的二氧化钒，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，所得固体材料即为二维的二氧化钒纳米片。
本发明的优良效果在于：
电化学剥离方法制备的二维二氧化钒纳米片，可以在常温常压温和的条件下高效进行，且不需要单晶材料，以最为常见的五氧化二钒粉体为原料。
以电化学剥离的二氧化钒二维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二氧化钒二维材料，且产率较高。
2.本发明以粉体五氧化二钒为原料，避免使用昂贵的单晶块体材料。
3.采用本发明制备的二氧化钒二维材料作为锂离子电池的负极材料，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。
4.本发明制备的二氧化钒二维材料，可以单独作为电极材料使用，也可以与其他材料进行复合作为电极材料使用。
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克五氧化二钒粉体材料加入到钛网中，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五氧化二钒，电化学剥离完成后，向电解液中加入少许100目的钛网，静置36小时后，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，冷冻干燥即可得二维的二氧化钒材料，厚度在约1-20 nm之间。
以此二维二氧化钒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240 mAh g-1、160 mAh g-1,在10Ag-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151 mAh g-1。
实施例2
在直径为3厘米，高为8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120。以桶状铂网作为阳极，将6克五氧化二钒粉体材料加入到铂网中，以铂电极为阴极，以1 mol L-1浓度的硫酸钠水溶液为电解质。在室温下以10.0 V的直流恒电压电化学剥离五氧化二钒，电化学剥离完成后，向电解液中加入少许100目的钛网，静置48小时后，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，冷冻干燥即可得二维的二氧化钒材料，厚度在约1-20 nm之间。
以此二维二氧化钒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230 mAh g-1、150 mAh g-1,在10Ag-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139 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，其中钛网的目数为100。以桶状钛网作为阳极，将15克五氧化二钒粉体材料加入到钛网中，以铂电极为阴极，以0.8 mol L-1浓度的硫酸钠水溶液为电解质。在室温下以8.0 V的直流恒电压电化学剥离五氧化二钒，电化学剥离完成后，向电解液中加入少许200目的钛网，静置48小时后，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，冷冻干燥即可得二维的二氧化钒材料，厚度在约1-20 nm之间。
以此二维二氧化钒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260 mAh g-1、170 mAh g-1,在10Ag-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158 mAh g-1。

Claims (10)

1.一种二维二氧化钒纳米片的制备方法，其特征在于：首先，通过电化学剥离的方法将五氧化二钒粉体材料制备成厚度为单原子层或者多原子层的二维纳米片；然后，将剥离出的五氧化二钒纳米片与金属钛反应制备而成。
2.按照权利要求1所述的电化学制备方法，其特征在于：以“桶状”钛网或者铂网为阳极，并且将五氧化二钒的粉体材料加入到 “桶状”阳极金属网之中。
3.按照权利要求1所述的电化学制备方法，其特征在于：钛或者铂网状结构的目数在50-10000之间。
4.按照权利要求1所述的电化学制备方法，其特征在于：桶状阳极外侧及底部包覆有一层高分子聚合物，其目数在1000-200000之间。
5.按照权利要求1所述的电化学制备方法，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。
6.按照权利要求1所述的电化学制备方法，其特征在于：以镍、石墨或者铂为阴极。
7.按照权利要求1所述的电化学制备方法，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0.1-35V之间。
8.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：电化学剥离完成后，需将金属钛网或钛片插入到硫酸盐电解质之中，静置6-48小时即可获得二氧化钒纳米片。
9.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的二氧化钒的二维纳米片厚度在0.1-20纳米之间。
10.按照权利要求1或2所述的电化学制备方法，其特征在于：所述二维材料主要作为锂离子电池电池的正极材料，可以单独使用，也可以和其他材料复合使用。
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