[发明专利]一种复合型五氧化二钒系材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种复合型五氧化二钒系材料及其制备方法和用途，所述制备方法包括以下步骤：(1)将碳源分散于去离子水中形成分散液；(2)将钒源和掺杂元素源加入到步骤(1)中分散液中，进行水热反应得到所述复合型五氧化二钒系材料；本发明所提供的制备方法，通过碳源制备分散液以及钒源和掺杂元素源形成复合掺杂，两种技术手段改良了五氧化二钒系材料的导电性以及结构稳定性，并且制备方法工艺简单，反应条件温和，适用于工业化生产且无污染，生产成本低廉，制备得到的复合型五氧化二钒系材料应用于锂镁混合电池时，首次充放电可逆比容量为200～250mAh/g，具有较高的应用价值。

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种复合型五氧化二钒系材料及其制备方法和用途。

背景技术

镁二次电池被认为是极具潜力的新型二次电池。镁二次电池的构成核心是Mg负极、有机电解质溶液和具有良好脱嵌镁离子性能的正极材料。对镁离子脱嵌材料的研究始于上世纪七十年代，但至今并未形成产业化生产，最主要的是以下两个技术难点限制镁二次电池的发展：一方面，相比于锂离子来说，镁离子的半径小、电荷密度大，溶剂化更加严重，导致镁离子比锂离子更难嵌入到一般的正极材料中，而且镁离子在正极材料中的移动也很缓慢；另一方面，镁在大部分电解液中会形成一层致密的钝化膜，阻止了镁离子的迁移，导致镁离子无法进行可逆的沉积与溶出，影响了其电化学性能。由于目前锂和镁电池均存在一定的问题，人们设计出一种锂镁混合电池，一种以正极材料，锂镁复合电解液，镁负极的电池体系，其中最重要的是高性能的正极材料选择及相关制备问题。

二正交晶系的V₂O₅由一层一层的VO₅四方金字塔组成，VO₅的四方金字塔占据了每一层的边和角。顶端V～O键的距离比其他四个方向的距离都要长，相当于一个双键的距离。V₂O₅的层状结构说明了这种材料的二维特征；然而，V₂O₅的结构也可被视为扭曲的VO₆八面体。六个V～O键的长度非常大，这使得外来原子能嵌入它类似于钙钛矿的空隙中。其开放式的层状结构为锂离子的脱嵌提供了良好的空间通道，1mol层状结构的五氧化二钒可以嵌入2mol Li⁺，理论容量可以达到294mAh/g，并且五氧化二钒资源丰富、易于制备，是一种极具潜力的镁锂混合电池正极材料。然而，五氧化二钒作为正极材料也存在着电子导电率低(10^-2～10^-3S/cm)、离子扩散率慢(10^-12～10^-13cm²/s)等问题，这导致五氧化二钒正极材料在充放电过程中循环性能和倍率性能都较差。

CN108483496A公开了一种二氧化钒纳米片状材料制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将酸性物质滴加到钒源水溶液中，升高温度对滴加酸性物质完毕后的溶液进行搅拌；(2)步骤(1)搅拌完毕后对得到的产物进行陈化处理，得到二氧化钒纳米片状材料粗品；(3)对步骤(2)得到的二氧化钒纳米片状材料粗品进行热处理，得到二氧化钒纳米片状材料。该材料尺寸均一、颗粒分布均匀，作为锂镁杂化电池正极材料时，首次充放电可逆比容量高。但是此方法制备的材料体系单一，其导电性和结构稳定性还需要进一步加强。

CN108155359A公开了一种五氧化二钒/石墨烯/空心碳球纳米复合材料正极电极片及其锂离子扣式电池制备方法。在五氧化二钒/石墨烯复合材料中引入空心碳球，将五氧化二钒/石墨烯优越的导电性能和孔隙结构丰富的空心碳球结合，二者产生协同作用，一方面氧化石墨烯和空心碳球之间可发生聚合反应，从而空心碳球与石墨烯之间有键合作用，可形成均匀的石墨烯-空心碳球复合结构，另一方面空心碳球的存在还阻止了石墨烯片层的重新堆叠，有利于得到层数较少的石墨烯，极大提高五氧化二钒/石墨烯正极材料的电学性能，100次充放电比容量高达683mAh/g。但是此方法仍然存在体系单一的问题。