CN111933932B - 一种锌离子电池中原位复合特定晶面生长ZnV2O6/GN-SWCNTS材料的方法 - Google Patents

一种锌离子电池中原位复合特定晶面生长ZnV2O6/GN-SWCNTS材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锌离子电池中离子液体辅助原位复合特定晶面生长ZnV2O6/GN‑SWCNTS材料的方法。此方法以高比表面积石墨烯/单壁碳纳米管材料、三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体、硝酸锌及偏钒酸铵为原料,采用离子液体辅助微波辐射法在石墨烯表面原位复合特定晶面生长ZnV2O6纳米棒,该纳米棒直径为40~80nm、长度为20~30um。离子液体辅助微波辐射法具有复合材料表面附着均匀,操作简单,反应时间短,高效节能,实验参数易调控的优点,通过该方法制备的ZnV2O6纳米复合电极材料比面积高、导电性佳,其作为锌离子电池中正极材料展现出良好储锌性能,为提升锌离子电池的综合电化学性能提供良好的技术基础和实践经验。

Description

一种锌离子电池中原位复合特定晶面生长ZnV2O6/GN-SWCNTS 材料的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料制备及应用领域,特别是一种锌离子电池中原位复合特定晶面生长ZnV2O6/GN-SWCNTS材料的方法。
背景技术
近年来,随着智能电网、电动汽车的飞速发展及人类对太阳能、风能、潮汐能、地热能等间歇性可再生能源的日益青睐,大规模储能电站的开发势在必行。锌离子电池作为新型二次电池,不仅具备优良的电化学性能潜力,还兼顾价格低廉、环保友好、资源丰富等社会经济评价指标,是下一代大规模储能技术的理想选择之一。锌离子电池中负极使用高纯金属锌、电解液为含Zn2+的水溶液,正极材料可选用钒基化合物、锰基化合物、普鲁士蓝类似物等含锌化合物。在锌离子电池内部,Zn2+在正极材料中可逆快速嵌入和脱出,并实现Zn2+在含Zn2+电解液中高效的沉积和溶解而完成充放电工序,最终满足能量储存与转化的应用需求。值得关注的是,ZnV2O6作为锌离子电池中正极材料具有良好的结构稳定性,在电化学储能容量和离子可逆脱嵌能力方面表现优异;但其本体材料比表面积低、导电性差等特性导致实际锌离子电池比容量偏低、循环稳定性差的突出问题。因此,正极材料ZnV2O6导电率优化和小尺寸化是增强材料储锌能力,改善锌离子电池综合电化学性能的重要途径(Y.Sun,C.S.Li,Q.R.Yang,S.L.Chou,H.K.Liu,Electrochim.Acta.,2016,205,62-69)。
就锌离子电池的ZnV2O6正极材料而言,常用合成方法有水热(溶剂)法、高温固相法等、光催化法、沉积法等(A.Bafaqeer,M.Tahir,N.A.S.Amin,J.Appl.Catal.B-Enviro.,2019,242,312-326;Y.Sun,C.S.Li,L.N.Wang,Y.Z.Wang,X.G.Ma,P.J.Ma,M.Y.Song,RSCAdv.,2012,2,8110-8115;A.Bafaqeer,M.Tahir,N.A.S.Amin,J.Appl.Surf.Sci.,2018,435,953-962)。但是传统工艺在快速合成尺寸均匀,形貌规整的ZnV2O6纳米材料方面还存在一定的科学和技术难度。值得研究的是用离子液体辅助微波辐射法,在高效可控制备纳米材料方面具有明显优势,微波辐射可快速传热,使ZnV2O6在电磁场中因介质损耗而产生介电热效应,从而加速成核反应,缩短反应陈化时间,提高复合材料原位合成效率;通过对离子液体及反应体系参数的连续调节,可实现对纳米晶的维度、负载量、尺寸、表面性质进行有效调控,为该纳米材料的合成和应用性能优化提供新的研究思路。
基于以上考虑,本发明专利提供一种离子液体辅助微波辐射法合成原位复合特定晶面ZnV2O6/GN-SWCNTS的方法;其采用三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体辅助微波辐射法,在石墨烯表面原位复合特定晶面生长的超细ZnV2O6纳米棒。三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体是微波辐射的结构导向剂,对纳米材料的物相控制和生长具有重要作用,可实现目标产物组成的优化,获得产物尺寸小,形态均一,结构优异;微波辐射合成工艺具有反应时间短,操作简单,节能高效,实验参数易调控等突出优势。通过离子液体辅助微波辐射法合成的ZnV2O6纳米棒材料比面积高、导电性佳,表现出优良的储锌性能,有效增加锌离子电池的比容量、改善循环稳定性,为提升锌离子电池的综合电化学性能提供良好的技术基础和实践经验。
发明内容
针对锌离子电池中ZnV2O6正极材料的比表面积低、导电性能差的问题,本发明提供一种锌离子电池中离子液体辅助原位复合特定晶面生长ZnV2O6/GN-SWCNTS材料的方法。该工艺的鲜明优点是反应时间短、操作简单、节能高效、实验参数易调控且制备的ZnV2O6/GN-SWCNTS材料中ZnV2O6纳米棒尺寸均匀、形貌规整、结构优异,特别是复合材料比面积高、导电率优异,优化了锌离子电池的综合电化学性能。
本发明的技术方案:本发明专利提供一种锌离子电池中离子液体辅助原位复合特定晶面生长ZnV2O6/GN-SWCNTS材料的方法,其以高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料、三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体、硝酸锌及偏钒酸铵为原料,采用微波辐射法在石墨烯表面原位复合特定晶面生长的ZnV2O6纳米棒,该材料作为锌离子电池正极材料展现出良好储锌性能,取得良好技术效果;包括以下步骤:
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳原料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1200~1800m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,石墨烯超薄纳米片表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管,使得该碳材料微观上组成三明治结构;
第二、在室温环境下,称量0.1000~1.0000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g[P6,6,6,14][Cl]离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;
第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在80~100℃,设备功率调节在500~1200瓦,加热时间为1小时,得到吸附后悬浊液b;在此步骤中,在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;
第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在80~100℃,设备功率调节在500~1200瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;
第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在80~100℃,设备加热功率调节在500~1200瓦,加热时间为8小时,得到黑色团聚悬浊液e,将所得悬浊液e经缓慢冷却至室温,用蒸馏水洗涤4次、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为 及β=111.55°,空间点群:C2 No.5,物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm,长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;
第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将其组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;进行0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试。
本发明的优点及效果:本发明专利涉及一种锌离子电池中离子液体辅助原位复合特定晶面生长ZnV2O6/GN-SWCNTS材料的方法,获得如下有益优点及效果:1、本发明采用离子液体辅助微波辐射法合成法制备原位复合特定晶面ZnV2O6/GN-SWCNTS材料的方法,该方法反应时间短、操作简单、节能高效、实验参数易调控、复合材料分散度均匀、产品纯度高。2、所制备的正极复合材料中m-ZnV2O6纳米棒其直径为40~80nm、长度20~30微米,原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面,有效提高了材料电子传导性能;3、原位复合特定晶面ZnV2O6/GN-SWCNTS材料的特点是在锌离子电池中表现出很好的循环稳定性和放电性能,为提升锌离子电池的综合电化学性能提供宝贵依据。
附图说明
图1为GN-SWCTs原料的在10K放大倍率的低倍扫描电子显微镜(SEM)图;
图2为GN-SWCTs原料的在100K放大倍率的高倍SEM图;
图3为GN-SWCTs原料的在300K放大倍率的超高倍SEM图;
图4为GN-SWCTs原料的在500K放大倍率的局部放大高倍SEM图。
具体实施方式
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳原料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1200~1800m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管;第二、在室温环境下,称量0.1000~1.0000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在80~100℃,设备功率调节在500~1200瓦,加热时间为1小时,得到吸附后悬浊液b;在此步骤中,核心创新点是在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在80~100℃,设备功率调节在500~1200瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,核心创新点是将钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在80~100℃,设备加热功率调节在500~1200瓦,加热时间为8小时,所得悬浊液e经缓慢冷却到室温后,用蒸馏水洗涤4次、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为a=及β=111.55°,空间点群:C2(No.5),物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm、长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将该电极材料组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液优选为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;经过0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试表明:该材料具有良好储锌容量和容量保持率,综合性能取得良好优异效果。
实施例1:0.1000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,回流反应温度为100℃,微波功率800瓦
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳原料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1600m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管;第二、在室温环境下,称量0.1000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在800瓦,加热时间为1小时,得到吸附后悬浊液b;在此步骤中,核心创新点是在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在800瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,核心创新点是将钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备加热功率调节在800瓦,加热时间为8小时,所得悬浊液e经缓慢冷却到室温后,用蒸馏水洗涤4次、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为及β=111.55°,空间点群:C2(No.5),物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm、长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将该电极材料组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液优选为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;经过0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试表明:该材料具有良好储锌容量和容量保持率,综合性能取得良好优异效果。
实施例2:0.5500g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,回流反应温度为100℃,微波功率1000瓦
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳原料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1600m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管;第二、在室温环境下,称量0.5500g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在800瓦,加热时间为1小时,得到吸附后悬浊液b;在此步骤中,核心创新点是在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在1000瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,核心创新点是将钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备加热功率调节在1000瓦,加热时间为8小时,所得悬浊液e经缓慢冷却到室温后,用蒸馏水洗涤4次、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为及β=111.55°,空间点群:C2(No.5),物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm、长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将该电极材料组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液优选为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;经过0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试表明:该材料具有良好储锌容量和容量保持率,综合性能取得良好优异效果。
实施例3:1.0000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,回流反应温度为100℃,微波功率1100瓦
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳原料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1600m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管;第二、在室温环境下,称量1.0000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在1100瓦,加热时间为1小时,得到吸附后悬浊液b;在此步骤中,核心创新点是在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在1100瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,核心创新点是将钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备加热功率调节在1100瓦,加热时间为8小时,所得悬浊液e经缓慢冷却到室温后,用蒸馏水洗涤4次、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为及β=111.55°,空间点群:C2(No.5),物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm、长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将该电极材料组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液优选为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;经过0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试表明:该材料具有良好储锌容量和容量保持率,综合性能取得良好优异效果。
实施例4:0.1000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,回流反应温度为100℃
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳原料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1600m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管;第二、在室温环境下,称量0.1000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在500瓦,加热时间为1小时,得到吸附后悬浊液b;在此步骤中,核心创新点是在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在500瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,核心创新点是将钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备加热功率调节在500瓦,加热时间为8小时,所得黑色团聚悬浊液e,所得悬浊液e经缓慢冷却到室温后,用蒸馏水洗涤4、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为 及β=111.55°,空间点群:C2(No.5),物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm、长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将该电极材料组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液优选为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;经过0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试表明:该材料具有良好储锌容量和容量保持率,综合性能取得良好优异效果。
实施例5:0.5500g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,回流反应温度为100℃
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳原料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1800m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管;第二、在室温环境下,称量0.5500g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在800瓦,加热时间为1小时,得到吸附后悬浊液b;在此步骤中,核心创新点是在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在800瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,核心创新点是将钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备加热功率调节在800瓦,加热时间为8小时,所得黑色团聚悬浊液e,所得悬浊液e经缓慢冷却到室温后,用蒸馏水洗涤4、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为 及β=111.55°,空间点群:C2(No.5),物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm、长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将该电极材料组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液优选为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;经过0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试表明:该材料具有良好储锌容量和容量保持率,综合性能取得良好优异效果。
实施例1的对比例1:河北联合大学.一种采用高温固相法合成ZnV2O6和ZnV2O7微纳米材料的方法及应用:中国,201110287566.3[P].2012-04-11中提供一种制备方法,实验步骤为:高温固相法合成钒酸锌材料方法中,将偏钒酸铵超细粉末在马弗炉中600℃烧4小时得到五氧化二钒超细固体粉末:称量制备的五氧化二钒粉末、氧化锌粉末,使得五氧化二钒与氧化锌的摩尔比为1∶1,将上述两种前驱体混合均匀,充分研磨30分钟,研匀粉末在压片机上采用10MPa压力成型1分钟,然后置于马弗炉中600℃烧结6小时,制得产物经X射线衍射谱图(图1)表明其为ZnV2O6和Zn2V2O7的混合物,对应的卡片号分别是23-757和24-1483,其中产物ZnV2O6的相对含量较高;产物的扫描电镜(图2)表明产物主体形貌为尺度均匀的微纳米材料,其直径分布在50-500纳米之间。上述方法制备产物存在纯度较低,尺寸不均匀,能耗大的问题,且无法进行复合材料的制备。
而实施例1无动机结合对比例1,且实施例1具有鲜明的创新性,体现在:
实施例1:0.1000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,回流反应温度为100℃,微波功率800瓦
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳原料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1600m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管;第二、在室温环境下,称量0.1000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在800瓦,加热时间为1小时,得到吸附后悬浊液b;在此步骤中,核心创新点是在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在800瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,核心创新点是将钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备加热功率调节在800瓦,加热时间为8小时,所得黑色团聚悬浊液e,所得悬浊液e经缓慢冷却到室温后,用蒸馏水洗涤4、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为 及β=111.55°,空间点群:C2(No.5),物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm、长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将该电极材料组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液优选为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;经过0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试表明:该材料具有良好储锌容量和容量保持率,综合性能取得良好优异效果。
实施例1的对比例2:吴丽娟.金属氧化物/碳复合纤维的制备及电化学性能研究[D].湖南.湘潭大学.2012中提供的一种制备方法,实验步骤为:
(a)按照一定的摩尔比将偏钒酸铵、金属盐、柠檬酸溶于去离子水中,加热搅拌溶解;然后加入与去离子水等体积的溶剂N,N-二甲基甲酰胺,再加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP),磁力搅拌10-12h得到一定质量浓度的纺丝溶液;
(b)将纺丝溶液经过静电纺丝装置纺丝,泵的转速为1mL·h-1、电压为26-30KV、注射器针头与接收板的距离为20cm,得到前驱体;
(c)将前驱体在80℃的干燥箱中干燥12h,然后放在管式炉中煅烧,热处理方式:在惰性气氛下,升温速率为2℃min-1,从室温分别升至600、700和800℃,并保温4h,冷却至室温即得到钒酸盐/碳复合纤维。
上述方法制备的产物尺寸大,且经碳化后晶体结构遭到破坏,所得产品品质低劣。
而实施例1无动机结合对比例2,且实施例1具有鲜明的创新性,体现在:实施例1:0.1000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,回流反应温度为100℃,微波功率800瓦。
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳原料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1600m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管;第二、在室温环境下,称量0.1000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g三己基十四烷基氯化膦([P6,6,6,14][Cl])离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在800瓦,加热时间为1小时,得到吸附后悬浊液b;在此步骤中,核心创新点是在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备功率调节在800瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,核心创新点是将钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在100℃,设备加热功率调节在800瓦,加热时间为8小时,所得黑色团聚悬浊液e,所得悬浊液e经缓慢冷却到室温后,用蒸馏水洗涤4、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为 及β=111.55°,空间点群:C2(No.5),物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm、长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将该电极材料组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液优选为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;经过0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试表明:该材料具有良好储锌容量和容量保持率,综合性能取得良好优异效果。

Claims (1)

1.一种锌离子电池中原位复合特定晶面生长ZnV2O6/GN-SWCNTS材料的方法,其以高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料、三己基十四烷基氯化膦[P6,6,6,14][Cl]离子液体、硝酸锌及偏钒酸铵为原料,采用微波辐射法在石墨烯表面原位复合特定晶面生长的ZnV2O6纳米棒,该材料能够作为锌离子电池正极材料;包括以下步骤:
第一、为提高材料的导电性能,在实验过程中添加了导电碳材料;碳材料是高比表面积石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,该材料的比表面积是1200~1800m2/g,石墨烯超薄纳米片是由相互交联的层间距0.37nm的石墨烯纳米片组装而成,石墨烯超薄纳米片表面镶嵌了直径3~5nm的单壁碳纳米管,使得该碳材料微观上组成三明治结构;
第二、在室温环境下,称量0.1000~1.0000g石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管材料,加入到50ml蒸馏水中;再加入0.2000g[P6,6,6,14][Cl]离子液体分析纯原料,充分搅拌1小时,形成均一悬浊液a;
第三、将第二步得到的悬浊液a转移到200ml石英圆底烧瓶中,再组装到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在80~100℃,设备功率调节在500~1200瓦,加热时间为1小时,得到悬浊液b;在此步骤中,在微波场作用下将石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面有效吸附离子液体,为后续原位一维纳米材料导向生长提供实验条件;
第四、在上述吸附后悬浊液b中,添加0.5850g NH4VO3偏钒酸铵固体,搅拌1小时至完全溶解,形成悬浊液c;将此第四步获得的悬浊液c再次转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在80~100℃,设备功率调节在500~1200瓦,加热时间为10min,所得二次吸附的悬浊液d;在此二次微波反应步骤中,钒酸根在[P6,6,6,14][Cl]中含膦基官能团的离子液体于微波辐射作用下进一步吸附在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管的表面,利于在下步反应过程中沿着特定晶面有序晶体生长;
第五、在上述吸附后悬浊液d中,添加溶液体积50ml、摩尔浓度为0.20mol/L硝酸锌溶液,充分搅拌20分钟,继续转移到带有回流装置的常压微波反应器中,反应温度控制在80~100℃,设备加热功率调节在500~1200瓦,加热时间为8小时,得到黑色团聚悬浊液e,将所得悬浊液e经缓慢冷却至室温,用蒸馏水洗涤4次、用乙醇润洗1次,放置80℃真空干燥箱中烘干24小时;干燥后的黑色固体样品:钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管;经X射线衍射测试表明:该材料的物相为单斜相m-ZnV2O6,对应晶胞参数为 及β=111.55°,空间点群:C2 No.5,物相对应ICDD-JCPDS卡片号为No.74-1262;SEM测试表明:m-ZnV2O6纳米棒的直径为40~80nm,长度20~30微米,其原位镶嵌在石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管表面;经过HRTEM分析测试表明m-ZnV2O6纳米棒的生长方向是沿着[010]方向优势生长;
第六、为测试钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管在锌离子电池中的储能性能,将其组装成CR2032扣式电池;工作电极由钒酸锌纳米棒/石墨烯超薄纳米片/单壁碳纳米管电池材料、SP导电炭黑、聚偏二氟乙烯粉末按照重量比8∶1∶1配方搅拌均匀,分散溶剂为N-甲基吡咯烷酮,搅拌2小时后成均匀膏体;均匀涂敷在高纯铝箔上,经120℃真空干燥箱烘干后12小时后得到电极片;水系电解液为0.5mol/L的ZnSO4溶液;对电极是纯度为99.99%的金属锌片;进行0.1C恒流充放电性能测试和循环稳定性测试。
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