CN113611829A - 一种v2o5-炭材料复合材料、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种V2O5‑炭材料复合材料，纳米片状V2O5均匀覆盖于炭材料；炭材料相互交联形成孔道；五氧化二钒通过炭材料结合构成导电网络；本发明还公开了V2O5‑炭材料复合材料的制备方法，制备构思是剥离‑复合策略，以及具有V2O5‑炭材料作为正极活性物质的锂离子电池；所得的锂离子电池循环性能显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种V2O5-炭材料复合材料、制备方法及应用。
背景技术
近年来，智能手机、可再生能源与电动汽车的飞速发展对锂离子电池的性能提出了更高的要求。但是由于传统锂离子电池正极材料价格高，能量密度低，已经成为制约锂离子电池进一步发展的重要瓶颈。因此，开发具有更高能量密度与功率密度，安全性和循环寿命更好的正极材料，成为了近年来的研究热点。相比于传统商业化的锂离子电池正极材料，五氧化二钒具有比容量高，安全性好等优点，从而受到人们的广泛关注。但是其固有的导电性差的缺点导致了电池循环寿命差使其无法满足实际需求。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种V2O5-炭材料复合材料，本发明炭材料作为骨架支撑负载片状V2O5，结构稳定，导电性能得以改善。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种V2O5-炭材料复合材料，纳米片状V2O5均匀覆盖于炭材料；
炭材料相互交联形成孔道；
五氧化二钒通过炭材料结合构成导电网络。
优选所述炭材料为石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种。
优选所述V2O5质量是炭材料质量的2至5倍。本发明中炭材料用量太少，产物碳含量少，其电性能改善不明显，炭材料用量太少，五氧化二钒含量降低，产物容量低。
本发明的第二目的在于提供一种V2O5-炭材料复合材料的制备方法，本发明通过剥离-剥离再复合的方式制得炭材料作为骨架负载片状V2O5的复合材料，所得复合材料结构稳定、导电性能好。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种V2O5-炭材料复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、一次液相剥离五氧化二钒；
将五氧化二钒溶于去离子水和过氧化氢的混合溶液中；
超声混合均匀；
过氧化氢通过水热反应一次剥离五氧化二钒；
步骤二、二次液相剥离五氧化二钒并与炭材料原位复合；
将步骤一所得的一次剥离五氧化二钒与炭材料按照所述用量加入至过氧化氢和去离子水混合液溶液中；
超声混合均匀；
将混合均匀的上述物质转移至反应釜中，水热反应，冷却，清洗，高温干燥得V2O5-炭材料复合材料。
优选步骤一和步骤二中五氧化二钒、去离子水和过氧化氢的质量比为2：5：1。将五氧化二钒与去离子水和过氧化氢以上述比例混合在水热反应中水解充分，通过水热反应过氧化氢剥离五氧化二钒；过氧化氢用量少，剥离不彻底，过氧化氢用量大，浪费原材料。
优选所述步骤二中过氧化氢溶液体积为五氧化二钒与炭材料总质量的10至30倍。过氧化氢提供反应环境，用量根据反应物的量来设定，溶液太少，不能充分溶解，且存在局部过反应的情况；用量太多，溶液中有效反应物浓度低，无法充分接触反应，反应不彻底。
优选步骤一和步骤二中水热反应条件分别是：
反应温度180℃至200℃；
反应时间10h至12h。
水热反应条件温度过高，过氧化氢分解，无法剥离五氧化二钒，温度太低，五氧化二钒剥离不彻底；五氧化二钒与炭材料在小于180℃的环境下，反应慢，反应进行不彻底，当环境温度大于200℃时，溶液过氧化氢分解成水和氧气，不再对五氧化二钒具有剥离作用，得到的产物性能不佳；反应时间与反应温度相关联，高温下，反应时间短，低温下，反应时间稍长，但反应时间大于12h时，此反应效率会降低，反应时间小于10h时，溶液内部有未反应的反应物，反应进行不彻底。
优选步骤二中清洗使用甲醇、乙醇和四氢呋喃中的一种。步骤一中的清洗也可以使用上述物质；本发明使用上述清洗液不影响产物性质。
优选步骤二所得粉末清洗后放入马弗炉干燥，干燥温度为300℃。本发明使用300℃马弗炉干燥在于得到纯净的五氧化二钒，灰化杂质。
本发明的第三目的在于提供一种锂离子电池，本发明以V2O5-炭材料复合材料作为正极活性物质，循环性能显著提升。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种锂离子电池，正极的活性物质为本发明制得的V2O5-炭材料复合材料。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明一次剥离五氧化二钒的目的在于出铁、除磁得到微米级的五氧化二钒，微米级五氧化二钒自身结构不稳定，片层之间存在堆叠，不利于电子传输，应用到锂离子电池中，循环寿命较短；进一步用炭材料对五氧化二钒改性，在二次剥离的同时复合炭材料，得到有碳骨架的五氧化二钒；其中作为碳骨架的炭材料支撑剥离后的五氧化二钒；剥离-复合的策略不仅将V2O5粉体纳米化，而且防止了V2O5的再次团聚与堆叠；
此外，炭材料片层之间相互交联形成的丰富孔道为锂离子和电解液的扩散提供通道，炭材料片层也为电子在电极材料与集流体之间的传导提供了有效的路径，提高了电极材料的结构稳定性与电化学反应活性，最终得到一种高导电性的正极材料；
本发明所得复合材料具有微米级材料的导电子能力，同时拥有炭材料的稳定性，应用到锂离子电池延长循环寿命。
从而实现本发明的上述目的。
附图说明
图1是本发明实施例1中一次剥离所得V2O5的SEM图；
图2是本发明实施例1中所得V2O5-石墨烯的SEM图；
图3是本发明中实施例1至3以及对比例所得锂离子电池的循环性能曲线。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1
本实施例公开一种V2O5-石墨烯复合材料，纳米片状V2O5均匀覆盖于石墨烯；石墨烯相互交联形成孔道；五氧化二钒通过石墨烯结合构成导电网络。
本实施例还公开了V2O5-石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、一次液相剥离五氧化二钒；
将粉末状的五氧化二钒出铁、除磁后，溶于去离子水和过氧化氢溶液中，其中五氧化二钒、去离子水和过氧化氢的质量比2：5：1，超声30min，将混合好的溶液转移到反应釜中，在高温180℃下，反应10h，反应结束后，冷却到室温，样品用乙醇离心清洗三次，得到粉末产物，放入马弗炉，300℃下干燥后，得到一次液相剥离五氧化二钒；
步骤二、二次液相剥离五氧化二钒并与炭材料原位复合；
将一次液相剥离五氧化二钒与石墨烯按照5：1的质量比例加入到过氧化氢溶液中，其中过氧化氢溶液体积为粉末材料质量的10倍；将混合溶液放入超声池，超声30min，将混合好的溶液转移到反应釜中，再高温190℃下反应11h，反应结束后，冷却到室温，样品用乙醇离心清洗三次，得到粉末产物，放入马弗炉，300℃下干燥后，得到二次剥离后的改性五氧化二钒粉末材料。
将本实施例制得的V2O5-石墨烯复合材料作为正极材料，经过混料、涂布、滚压、分切、成型得到正极极片，负极选用锂片，再搭配隔离膜、电解液，制作成2Ah软包电池。
实施例2
本实施例公开一种V2O5-碳纤维复合材料，纳米片状V2O5均匀覆盖于碳纤维；碳纤维相互交联形成孔道；五氧化二钒通过碳纤维结合构成导电网络。
本实施例还公开了V2O5-碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、一次液相剥离五氧化二钒；
将粉末状的五氧化二钒出铁、除磁后，溶于去离子水和过氧化氢溶液中，其中五氧化二钒、去离子水和过氧化氢按照2：5：1的质量比放入超声池，超声30min，将混合好的溶液转移到反应釜中，在高温190℃下，反应12h，反应结束后，冷却到室温，样品用四氢呋喃离心清洗三次，得到粉末产物，放入马弗炉，300℃下干燥后，得到一次液相剥离五氧化二钒；
步骤二、二次液相剥离五氧化二钒并与炭材料原位复合；
将一次液相剥离五氧化二钒与碳纤维按照4：1的质量比例加入到过氧化氢溶液中，其中过氧化氢溶液体积为粉末材料质量的20倍；将混合溶液放入超声池，超声30min，将混合好的溶液转移到反应釜中，再高温200℃下反应12h，反应结束后，冷却到室温，样品用乙醇离心清洗三次，得到粉末产物，放入马弗炉，300℃下干燥后，得到V2O5-碳纤维复合粉末材料；
将本实施例制得的V2O5-碳纤维复合材料作为正极材料，经过混料、涂布、滚压、分切、成型得到正极极片，负极选用锂片，再搭配隔离膜、电解液，制作成2Ah软包电池。
实施例3
本实施例公开一种V2O5-碳纳米管复合材料，纳米片状V2O5均匀覆盖于碳纳米管；碳纳米管相互交联形成孔道；五氧化二钒通过碳纳米管结合构成导电网络。
本实施例还公开了V2O5-碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、一次液相剥离五氧化二钒；
将粉末状的五氧化二钒出铁、除磁后，溶于去离子水和过氧化氢溶液中，其中五氧化二钒、去离子水和过氧化氢的质量比为2：5：1，超声30min，将混合好的溶液转移到反应釜中，在高温200℃下，反应12h，反应结束后，冷却到室温，样品用甲醇心清洗三次，得到粉末产物，放入马弗炉，300℃下干燥后，得到一次液相剥离五氧化二钒；
步骤二、二次液相剥离五氧化二钒并与炭材料原位复合；
将一次液相剥离五氧化二钒粉末与碳纳米管按照2：1的质量比加入到过氧化氢溶液中，其中过氧化氢溶液体积为粉末材料质量的30倍；将混合溶液超声30min，将混合好的溶液转移到反应釜中，再高温180℃下反应12h，反应结束后，冷却到室温，样品用四氢呋喃离心清洗三次，得到粉末产物，放入马弗炉，300℃下干燥后，得到V2O5-碳纳米管复合粉末材料；
将本实施例制得的V2O5-碳纳米管复合材料作为正极材料，经过混料、涂布、滚压、分切、成型得到正极极片，负极选用锂片，再搭配隔离膜、电解液，制作成2Ah软包电池。
对比例
将粉末状的五氧化二钒出铁、除磁后，溶于去离子水和过氧化氢溶液中，其中五氧化二钒、去离子水和过氧化氢的质量比为2：5：1，放入超声池，超声30min，将混合好的溶液转移到反应釜中，在高温180℃下，反应10h，反应结束后，冷却到室温，样品用甲醇离心清洗三次，得到粉末产物，放入马弗炉，300℃下干燥后，得到一次液相剥离五氧化二钒；
将本实施例制得的一次液相剥离五氧化二钒作为正极材料，经过混料、涂布、滚压、分切、成型得到正极极片，负极选用锂片，再搭配隔离膜、电解液，制作成2Ah软包电池。
将上述对比例以及实施例1至3所制得的电池进行充放电测试具体的循环性能详见图1所示。从图1可知，一次液相剥离五氧化二钒的五氧化二钒在循环300周后，容量保持率仅有48％，循环寿命较低，说明一次液相剥离得到微米级五氧化二钒自身结构不稳定，片层之间存在堆叠，不利于电子传输，循环性能不好；实施例1至3所得的通过炭材料改性后的五氧化二钒循环寿命显著的提升，在同样条件下循环300周后，容量保持率有88％以上；实施例3所得的V2O5-碳纳米管产物其结构最为稳定，循环性能最好。
综上，本发明通过剥离-复合策略所得的V2O5-碳材料复合粉体不仅有效防止了V2O5的再次团聚与堆叠，且炭材料片层之间相互交联形成的丰富孔道为锂离子和电解液的扩散提供通道，提高了电极材料的结构稳定性，可有效改善循环性能。本发明不仅提出了一种改善了五氧化二钒自身缺陷的方法，还获得了一种一种长循环的复合正极材料。
Claims (10)
1.一种V2O5-炭材料复合材料，其特征在于：纳米片状V2O5均匀覆盖于炭材料；
炭材料相互交联形成孔道；
五氧化二钒通过炭材料结合构成导电网络。
2.如权利要求1所述的V2O5-炭材料复合材料，其特征在于：所述炭材料为石墨烯、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的V2O5-炭材料复合材料，其特征在于：所述V2O5质量是炭材料质量的2至5倍。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的V2O5-炭材料复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、一次液相剥离五氧化二钒；
将五氧化二钒溶于去离子水和过氧化氢的混合溶液中；
超声混合均匀；
过氧化氢通过水热反应一次剥离五氧化二钒；
步骤二、二次液相剥离五氧化二钒并与炭材料原位复合；
将步骤一所得的一次剥离五氧化二钒与炭材料按照所述用量加入至过氧化氢和去离子水混合液溶液中；
超声混合均匀；
将混合均匀的上述物质转移至反应釜中，水热反应，冷却，清洗，高温干燥得V2O5-炭材料复合材料。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤一和步骤二中五氧化二钒、去离子水和过氧化氢的质量比为2：5：1。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤二中过氧化氢溶液体积为五氧化二钒与炭材料总质量的10至30倍。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤一和步骤二中水热反应条件分别是：
反应温度180℃至200℃；
反应时间10h至12h。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤二中清洗使用甲醇、乙醇和四氢呋喃中的一种。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤二所得粉末清洗后放入马弗炉干燥，干燥温度为300℃。
10.一种锂离子电池，其特征在于：正极的活性物质为权利要求1至3任一项所述的V2O5-炭材料复合材料。
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| 吴丽军: ""钒氧(硫)化物锂离子电池正极材料制备及其电化学性能研究"", 《中国博士学位论文全文数据库(电子期刊)工程科技Ⅱ辑》 * |
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