CN110061209B - 一种MnO2@V2O5核壳纳米材料及其制备方法、应用 - Google Patents

一种MnO2@V2O5核壳纳米材料及其制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MnO2@V2O5核壳纳米材料，包括MnO2纳米线和V2O5，所述V2O5包覆于MnO2纳米线表面。本发明还公开了上述MnO2@V2O5核壳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：取MnO2纳米线水洗，然后加入水中，超声分散均匀得到溶液A；将V2O5、环己胺、水混匀得到溶液B；将溶液A加入溶液B中，搅拌，超声均匀，进行水热反应，离心取沉淀，洗涤，干燥得到MnO2@V2O5核壳纳米材料。本发明还公开了上述MnO2@V2O5核壳纳米材料在制备超级电容器、锂离子电池电极材料中的应用。本发明具有独特的纳米结构和良好的比容量，并且制备方法简单，原料易得，成本低廉。

Description

一种MnO2@V2O5核壳纳米材料及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种MnO2@V2O5核壳纳米材料及其制备方法、应用。
背景技术
目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨电极，它具有良好的电导率，但是较差的能量密度和体积密度制约了其在锂离子电池中的进一步应用。近年来，五氧化二钒(V2O5)作为一种新型的电极材料引起了研究人员的关注。钒具有多种价态(V2+、V3+、V4+以及V5+)，能够发生多个位置的嵌入反应，并且V2O5独特的层状结构有利于离子的脱嵌，因此V2O5的理论容量最高可达 442mAh g-1。然而块体的五氧化二钒电导率低，锂离子扩散系数小，导致其比容量低，倍率性能差，从而限制了其应用。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种MnO2@V2O5核壳纳米材料及其制备方法、应用，本发明具有独特的纳米结构和良好的比容量，并且制备方法简单，原料易得，成本低廉。
本发明提出的一种MnO2@V2O5核壳纳米材料，包括MnO2纳米线和V2O5，所述V2O5包覆于MnO2纳米线表面。
上述V2O5为纳米级。
本发明还提出了上述MnO2@V2O5核壳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：取MnO2纳米线水洗，然后加入水中，超声分散均匀得到溶液A；将V2O5、环己胺、水混匀得到溶液B；将溶液A加入溶液B中，搅拌，超声均匀，进行水热反应，离心取沉淀，洗涤，干燥得到MnO2@V2O5核壳纳米材料。
优选地，水热反应的温度为150-180℃。
优选地，水热反应的温度可以为150、151、152、153、154、155、156、157、 158、159、160、161、162、163、164、165、166、167、168、169、170、171、 172、173、174、175、176、177、178、179或180℃。
优选地，水热反应的温度为160℃。
优选地，水热反应的时间为8-12h。
优选地，水热反应的时间可以为8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5或12h。
优选地，水热反应的时间为10h。
优选地，MnO2纳米线、V2O5、环己胺的摩尔比为0.5-1.5：0.5-1.5：0.2-1。
优选地，MnO2纳米线、V2O5、环己胺的摩尔比为1：1：0.5。
优选地，干燥温度为60-100℃。
优选地，超声时间均为3-10min。
优选地，超声时间均为4-6min。
优选地，搅拌10-40min。
优选地，搅拌20-30min。
优选地，水为去离子水。
不规定上述溶液A和溶液B中水的用量，根据反应釜的大小确定其用量。
本发明还提出了上述MnO2@V2O5核壳纳米材料在制备超级电容器、锂离子电池电极材料中的应用。
本发明选用MnO2纳米线和V2O5通过水热反应，使得MnO2纳米线作为载体，V2O5包覆于MnO2纳米线表面形成结构独特的纳米材料，其结构稳定并且具有良好的比容量，可用作超级电容器、锂离子电池电极材料；且制备方法为水热反应法，操作简单，条件温和，绿色环保，而且反应原料价格低廉；用 MnO2@V2O5核壳纳米材料制备锂离子电池负极，在0.5A/g电流密度下，锂离子电池负极的比容量可达到780.4mAh/g，并且具有良好的稳定性。
附图说明
图1为本发明MnO2@V2O5核壳纳米材料的扫描电子显微镜图。
图2本发明MnO2@V2O5核壳纳米材料制备的电极的恒电流充放电图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明所用的V2O5、环己胺等原料均可从市场上购得。
实施例1
一种MnO2@V2O5核壳纳米材料，包括MnO2纳米线和V2O5，所述V2O5包覆于MnO2纳米线表面。
上述MnO2@V2O5核壳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：取1.0mmol 的MnO2纳米线水洗，然后加入15mL水中，超声3min分散均匀得到溶液A；将1.0mmol的V2O5、0.5mmol的环己胺、20mL水混匀得到溶液B；将溶液A 加入溶液B中，搅拌25min，超声5min均匀，于160℃下进行水热反应10h，离心取沉淀，用水和乙醇分别洗涤3次，于60℃干燥得到MnO2@V2O5核壳纳米材料。
对上述MnO2@V2O5核壳纳米材料进行电子显微镜扫描，结果参见图1，图 1为本发明MnO2@V2O5核壳纳米材料的扫描电子显微镜图；从图1可以看出 MnO2@V2O5核壳纳米材料的核壳结构明显，且分散性较好。
制备锂离子电池负极：
将上述制备的MnO2@V2O5核壳纳米材料作为电极的活性物质，与炭黑以及质量浓度为5％聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液在搅拌下充分混合调成均匀的浆料作为复合负极材料备用，其中，各组分的质量百分比为：MnO2@V2O5核壳纳米材料80％，炭黑10％，聚偏氟乙烯10％。该浆料均匀地涂覆在集流体铜箔上，干燥、辊压得到MnO2@V2O5电极即锂离子电池负极。
对MnO2@V2O5电极进行性能检测，结果参见图2，图2本发明MnO2@V2O5核壳纳米材料制备的电极的恒电流充放电图；由图2可知在0.5A/g电流密度下， MnO2@V2O5电极的比容量可达到780.4mAh/g；第一次放电比容量大于第二次和第三次，是由于形成SEI膜的过程中消耗了部分锂所造成的。
实施例2
一种MnO2@V2O5核壳纳米材料，包括MnO2纳米线和V2O5，所述V2O5包覆于MnO2纳米线表面。
上述MnO2@V2O5核壳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：取0.5mmol 的MnO2纳米线水洗，然后加入15mL水中，超声3min分散均匀得到溶液A；将0.5mmol的V2O5、0.2mmol的环己胺、20mL水混匀得到溶液B；将溶液A 加入溶液B中，搅拌10min，超声10min均匀，于150℃下进行水热反应12h，离心取沉淀，用水和乙醇分别洗涤3次，于60℃干燥得到MnO2@V2O5核壳纳米材料。
实施例3
一种MnO2@V2O5核壳纳米材料，包括MnO2纳米线和V2O5，所述V2O5包覆于MnO2纳米线表面。
上述MnO2@V2O5核壳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：取1.5mmol 的MnO2纳米线水洗，然后加入15mL水中，超声3min分散均匀得到溶液A；将1.5mmol的V2O5、1.0mmol的环己胺、20mL水混匀得到溶液B；将溶液A 加入溶液B中，搅拌40min，超声3min均匀，于180℃下进行水热反应8h，离心取沉淀，用水和乙醇分别洗涤3次，于60℃干燥得到MnO2@V2O5核壳纳米材料。
实施例4
一种MnO2@V2O5核壳纳米材料，包括MnO2纳米线和V2O5，所述V2O5包覆于MnO2纳米线表面。
上述MnO2@V2O5核壳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：取0.8mmol 的MnO2纳米线水洗，然后加入15mL水中，超声3min分散均匀得到溶液A；将0.8mmol的V2O5、0.3mmol的环己胺、20mL水混匀得到溶液B；将溶液A 加入溶液B中，搅拌30min，超声4min均匀，于170℃下进行水热反应10h，离心取沉淀，用水和乙醇分别洗涤3次，于60℃干燥得到MnO2@V2O5核壳纳米材料。
实施例5
一种MnO2@V2O5核壳纳米材料，包括MnO2纳米线和V2O5，所述V2O5包覆于MnO2纳米线表面。
上述MnO2@V2O5核壳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：取1.2mmol 的MnO2纳米线水洗，然后加入15mL水中，超声10min分散均匀得到溶液A；将1.2mmol的V2O5、0.6mmol的环己胺、20mL水混匀得到溶液B；将溶液A 加入溶液B中，搅拌20min，超声6min均匀，于165℃下进行水热反应11h，离心取沉淀，用水和乙醇分别洗涤3次，于100℃干燥得到MnO2@V2O5核壳纳米材料。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，包括MnO2纳米线和V2O5，所述V2O5包覆于MnO2纳米线表面；
其中，所述MnO2@V2O5核壳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：取MnO2纳米线水洗，然后加入水中，超声分散均匀得到溶液A；将V2O5、环己胺、水混匀得到溶液B；将溶液A加入溶液B中，搅拌，超声均匀，进行水热反应，离心取沉淀，洗涤，干燥得到MnO2@V2O5核壳纳米材料。
2.根据权利要求1所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，水热反应的温度为150-180℃。
3.根据权利要求2所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，水热反应的温度为160℃。
4.根据权利要求1或2所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，水热反应的时间为8-12h。
5.根据权利要求4所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，水热反应的时间为10h。
6.根据权利要求1所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，MnO2纳米线、V2O5、环己胺的摩尔比为0.5-1.5：0.5-1.5：0.2-1。
7.根据权利要求6所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，MnO2纳米线、V2O5、环己胺的摩尔比为1：1：0.5。
8.根据权利要求1所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，干燥温度为60-100℃。
9.根据权利要求1所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，超声时间均为3-10min。
10.根据权利要求9所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，超声时间均为4-6min。
11.根据权利要求1所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，搅拌10-40min。
12.根据权利要求11所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，搅拌20-30min。
13.根据权利要求1所述MnO2@V2O5核壳纳米材料，其特征在于，水为去离子水。
14.一种如权利要求1所述MnO2@V2O5核壳纳米材料在制备超级电容器、锂离子电池电极材料中的应用。
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