CN113772727A - 一种铁掺杂焦钒酸铜材料的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁掺杂焦钒酸铜材料的制备方法和应用，将氯化铜、氯化铁和偏钒酸铵溶解在水溶剂中，将所形成的混合溶液放入高压釜在一定温度下加热一定时间反应并收集干燥，得到铁掺杂的焦钒酸铜材料。铁元素的掺杂可以有效地影响材料的电化学储锌的工作机制，获得的产品铁掺杂的焦钒酸铜材料具有更高的容量以及循环稳定性。本发明以去离子水为溶剂在170～190℃的较低温度下进行反应；产品质量稳定；铁掺杂焦钒酸铜材料还可以用作高性能水系锌离子电池的正极材料，有效地提升了正极材料的循环稳定性。

Description

一种铁掺杂焦钒酸铜材料的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种铁掺杂焦钒酸铜材料的制备方法和应用，属于新材料技术领域。
背景技术
人类社会发展的历程，能源与人的生活息息相关。近年来，为了实现可持续的发展，减少对化石能源的依赖，人致力于开发可再生清洁新能源。然而，以风能、太阳能、潮汐能、生物质能和地热能等为代表的清洁能源存在间歇性和不规律性的缺陷。因此，在具体应用层面上，需要大型的能源储存与转换系统，以解决可再生能源的产生与能源的消费具有时间和空间上的不一致性的矛盾。目前，电化学储能技术具有低成本、高效率、环境依赖低、可移动以及可控能量输出等优势，而且电化学储能技术的探索方兴未艾，是最有前景的储能系统。
可充电电池作为一种可再生能源整合的电化学储能技术，因效率高、功率可调、应用灵活以及维护简单等特点，被认为是最有竞争力的电源设备。近年来，随着便携式电子产品日益增长的需求和车辆电动化目标的稳步推进，电化学储能的基础研究和技术开发、利用的重要性显得更加突出。在各种电化学储能系统中，锌离子电池具有安全、低成本、环保、高能量密度、循环寿命长和无记忆效应等优点，研究人员对其进行了广泛、深入及系统的研究，并被视为未来最有希望的新兴能源存储系统和电网级储能的候选者。相比于传统锂离子电池，水系锌离子电池的主要特点有：(1)高氧化还原电位-0.76V(vs SHE)保证了锌离子可以在水基电解液中进行工作；(2)电极材料价格低廉，水体系电解液不存在自燃或爆炸问题，电池器件安全性高；(3)高能量密度(5855mAh cm-3，320Wh kg-1)，高功率密度(12kW kg-1)，因为Zn可以实现两个电子参与电化学反应；(4)锌负极溶解/沉积和正极Zn2+嵌入/脱出具有高度可逆性，长循环性能较好。以上优点奠定了水系锌离子电池的巨大应用潜力。
目前，水系锌离子电池主要问题有：(1)正极材料的种类有限，现有的正极材料在循环过程中存在溶解、相转变、不可逆副反应等问题，影响了电池的长循环容量保持率的进一步提升；(2)正极材料与Zn2+存在较强的静电斥力，不利于锌离子扩散，材料的倍率性能差；(3)负极锌箔在循环充放电过程中仍然会产生少量的枝晶，存在短路的风险，致使电池失效。(4)目前，对于锌离子电池工作的机理、性能提升的方法和电池的失效的理解仍然不够，需要更多、更深入的探索。因此，开发新型电极材料，探索其电化学储锌工作机理，是开发安全可靠且高性能锌离子电池的重要途径之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单的水热法制备铁掺杂焦钒酸铜材料(FCVO)的方法，以及铁掺杂焦钒酸铜材料在水系锌离子电池正极材料中的应用。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种铁掺杂焦钒酸铜材料制备方法，包括以下步骤：
(1)将偏钒酸铵加入去离子水中，80±8℃加热搅拌溶解，得到淡黄色的偏钒酸铵溶液；
(2)将氯化铜加入去离子水中，室温下搅拌均匀，得到蓝色的氯化铜溶液；
(3)将氯化铁加入步骤(2)所得的氯化铜溶液中，室温下搅拌溶解，形成稳定的黄色溶液；
(4)将步骤(3)所得黄色溶液缓慢加入步骤(1)所得偏钒酸铵溶液中，保持80±8℃加热搅拌均匀，得到混合液体；
(5)将步骤(4)所得混合液体在反应釜内进行水热反应，即得到暗绿色沉淀物，依次洗涤、冷冻干燥，最后得到粉末状铁掺杂焦钒酸铜材料。
进一步的，所述步骤(1)制备的偏钒酸铵溶液浓度为0.2±0.05M。
进一步的，所述步骤(2)制备的氯化铜溶液浓度为0.18±0.03M。
进一步的，所述步骤(3)所得黄色溶液中氯化铁浓度为0.02M，所述步骤(2)加入的氯化铜与步骤(3)加入的氯化铁的摩尔比为8～13:1。
进一步的，所述步骤(4)中水热反应的反应条件为：在170～190℃下反应2～4h。
根据上述制备方法得到铁掺杂焦钒酸铜材料应用在水系锌离子电池的正极中。
有益效果
(1)该过程只涉及到溶解、低温加热等常规单元操作，一般实验室均可操作，也易于实现工业化生产；
(2)将铁原子引入焦钒酸铜(CVO)中，制备了铁掺杂焦钒酸铜(FCVO)材料，可以作为高性能的水系锌离子电池的正极。在放电过程，纯相的CVO样品中的V仅仅被还原成V4+。对于Fe掺杂的FCVO样品而言，材料中的V被还原成更加低价的V3+，因而可以储存更多的电荷。所以，在电化学性能测试中，FCVO材料的储锌容量明显地高于纯相的CVO的样品。此外，因低价V3+的形成，正极的放电反应生成了可逆性较好的Zn0.25V2O5 H 2O放电产物，故而基于FCVO材料的正极表现出了更好的循环稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的产品的X射线衍射(XRD)图；其中图中分别为：FCVO和CVO样品的X射线衍射图谱和标准卡片JCPDS#78-2077。
图2是本发明实施例的产品的微观结构图；其中图2a和图2b为FCVO的扫描电子显微镜图(SEM)，图2c为FCVO的透射电子显微镜镜图(TEM)，图2d为FCVO的高分辨透射电子显微镜镜图(HRTEM)。
图3是本发明实施例的产品的倍率性能。
图4是本发明实施例的产品的长循环稳定性。
图5是本发明实施例的产品的纽扣电池器件点亮二极管的图片。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种铁掺杂焦钒酸铜材料制备方法，包括以下步骤：
(1)将偏钒酸铵加入去离子水中，80±8℃加热搅拌溶解，得到淡黄色浓度为0.2±0.05M的偏钒酸铵溶液；
(2)将氯化铜加入去离子水中，室温下搅拌均匀，得到蓝色浓度为0.18±0.03M的氯化铜溶液；
(3)将氯化铁加入步骤(2)所得的氯化铜溶液中，室温下搅拌溶解，形成稳定的黄色溶液，所得黄色溶液中氯化铁浓度为0.02M；所述步骤(2)加入的氯化铜与步骤(3)加入的氯化铁的摩尔比为8～13:1。
(4)将步骤(3)所得黄色溶液缓慢加入步骤(1)所得偏钒酸铵溶液中，保持80±8℃加热搅拌均匀，得到混合液体；
(5)将步骤(4)所得混合液体在反应釜内进行水热反应，在170～190℃下反应2～4h，即得到暗绿色沉淀物，依次洗涤、冷冻干燥，最后得到粉末状铁掺杂焦钒酸铜材料。
实施例
(1)将4mmol偏钒酸铵加入20mL去离子水中，80℃加热搅拌，直至形成稳定的淡黄色溶液，浓度为0.2M；
(2)将3.6mmol氯化铜加入20mL去离子水中，室温下搅拌，直至形成稳定的蓝色溶液，浓度为0.18M；
(3)将0.04mmol氯化铁加入步骤(2)中的溶液中，室温下搅拌溶解，形成稳定的黄色溶液，其中氯化铁的浓度为0.02M；
(4)将第三步的反应液在180℃下进行3h水热反应，即得到暗绿色沉淀物，最后依次洗涤、冷冻干燥。
采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对产品进行物象结构和形貌分析。
图1是本实施例产品的X射线衍射(XRD)图，其中图中分别为：FCVO和CVO样品的X射线衍射图谱和标准卡片JCPDS#78-2077；证明铁掺杂之后，产物晶体结构并未发生明显改变。
图2是本实施例的产品的微观结构图，即图2中a，b为FCVO的扫描电子显微镜图(SEM)，图2中c，d分别指FCVO的透射电子显微镜镜图(TEM)和高分辨透射电子显微镜镜图(HRTEM)。
应用实例
以实施例制备的FCVO和锌片为对电极，组装成相应的水系锌离子电池。采用恒定电流充放电技术，测试产品倍率和循环性能。如图3和图4所示，测量电池在不同电流密度下的倍率性能和2A/g电流密度下1000圈的循环稳定性。对于倍率性能，基于FCVO的锌离子电池，在放电电流为0.1，0.2，0.5，1和2A/g时，分别循环10圈后，电池保持的可逆比容量分别为256.4，212.2，180.1，158.3和131.1mA h/g。在大电流2A/g条件下，1000圈长循环后，电池仍保持146mA h/g，期间放电比容量几乎没有衰减，展现了良好的循环稳定性。如图5所示是本实施例的产品的纽扣电池器件点亮LED灯图片。

Claims (6)

1.一种铁掺杂焦钒酸铜材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将偏钒酸铵加入去离子水中，80±8℃加热搅拌溶解，得到淡黄色的偏钒酸铵溶液；
(2)将氯化铜加入去离子水中，室温下搅拌均匀，得到蓝色的氯化铜溶液；
(3)将氯化铁加入步骤(2)所得的氯化铜溶液中，室温下搅拌溶解，形成稳定的黄色溶液；
(4)将步骤(3)所得黄色溶液缓慢加入步骤(1)所得偏钒酸铵溶液中，保持80±8℃加热搅拌均匀，得到混合液体；
(5)将步骤(4)所得混合液体在反应釜内进行水热反应，即得到暗绿色沉淀物，依次洗涤、冷冻干燥，最后得到粉末状铁掺杂焦钒酸铜材料。
2.根据权利要求1所述一种铁掺杂焦钒酸铜材料制备方法，其特征在于，所述步骤(1)制备的偏钒酸铵溶液浓度为0.2±0.05M。
3.根据权利要求1所述一种铁掺杂焦钒酸铜材料制备方法，其特征在于，所述步骤(2)制备的氯化铜溶液浓度为0.18±0.03M。
4.根据权利要求1所述一种铁掺杂焦钒酸铜材料制备方法，其特征在于，所述步骤(3)所得黄色溶液中氯化铁浓度为0.02M，所述步骤(2)加入的氯化铜与步骤(3)加入的氯化铁的摩尔比为8～13:1。
5.根据权利要求1所述一种铁掺杂焦钒酸铜材料制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中水热反应的反应条件为：在170～190℃下反应2～4h。
6.如权利要求1～5任意一项所述制备方法得到铁掺杂焦钒酸铜材料应用在水系锌离子电池的正极中。
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