[发明专利]具有三维联通纳米网络结构的五氧化二钒及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种具有三维联通纳米网络结构的五氧化二钒及其制备方法，该材料可作为高功率长寿命锂离子电池的正极活性材料。

背景技术

高性能储能设备的持续发展对于其在便携式电子设备、电动汽车和可再生能源的大规模存储装置的应用至关重要。锂离子电池由于其高比能量和长循环寿命而被视为能够满足实际应用要求的最佳选择。高比容量可以通过采用比当今商业应用的点击材料具有更高比容量的材料来实现。在这些正极材料中，五氧化二钒由于其成本低、存储丰富和高理论容量(每分子式嵌入/脱出两个Li⁺时约为294mAh g^-1)而被广泛的研究。而且当其只有一个Li⁺嵌入/脱出时，其依旧可以提供与商业应用的LiCoO₂(140mAh^-1)LiMn₂O₄(146mAh g^-1)相近的容量(147mAh g^-1)。然而，锂离子电池较慢的电化学动力学和较差的结构稳定性导致其具有较差的倍率性能和循环性能，从而限制了其实际的广泛应用。

许多研究表明，构建具有高比表面积和较短的锂离子扩散距离以及具有简单的应变松弛结构的纳米尺寸的钒氧化物是促进锂离子电池电化学动力学并缓解其循环过程中结构退化最有效的方法。而且现今报道的一些纳米结构材料表明其尺寸、形貌、孔隙度、结构等因素对材料的电化学性能具有十分重要的作用。因此，设计并合成合适的纳米结构是改善其电化学性能的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种具有三维联通纳米网络结构的五氧化二钒及其制备方法，其原料来源广、制备工艺简单、成本低且所得的三维联通纳米网络结构的五氧化二钒具有优良的电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：具有三维联通纳米网络结构的五氧化二钒，其由直径为10～50nm、长度为20～200nm的纳米棒相互交错连通而成三维联通网络结构，所述的三维联通网络结构形成的介孔的比体积为0.1～1.0cm³g^-1，其为下述制备方法得到的产物，包括有以下步骤：

1)量取五氧化二钒溶胶并稀释于去离子水中得到溶液；

2)向步骤1)所形成的溶液中加入无机胶凝剂溶液直接形成V₂O₅水凝胶；

3)将步骤2)得到的V₂O₅水凝胶在室温下陈化1～5h；

4)将步骤3)得到的凝胶用去离子水和酒精反复洗涤，将得到的产物置于烘箱中进行干燥；

5)将步骤4)得到的干燥产物在马弗炉中加热，并保温，自然冷却至室温取出，即可得到具有三维联通纳米网络结构的五氧化二钒。

按上述方案，所述的五氧化二钒溶胶和无机胶凝剂的摩尔比为1:3至1:24。

按上述方案，所述的无机胶凝剂为NH₄H₂PO₄、(NH₄)₂SO₄、NH₄Cl、Li₂SO₄、LiCl或Na₂SO₄。

按上述方案，步骤5)中煅烧温度为300～400℃，煅烧时间为1～3h。

具有三维联通纳米网络结构的五氧化二钒的制备方法，包括有以下步骤：

1)量取五氧化二钒溶胶并稀释于去离子水中得到溶液；

2)向步骤1)所形成的溶液中加入无机胶凝剂溶液直接形成V₂O₅水凝胶；

3)将步骤2)得到的V₂O₅水凝胶在室温下陈化1～5h；

4)将步骤3)得到的凝胶用去离子水和酒精反复洗涤，将得到的产物置于烘箱中进行干燥；

5)将步骤4)得到的干燥产物在马弗炉中加热，并保温，自然冷却至室温取出，即可得到具有三维联通纳米网络结构的五氧化二钒。

所述的具有三维联通纳米网络结构的五氧化二钒作为锂离子电池正极活性材料的应用。