[发明专利]一种钒酸盐水合物电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，公开了一种钒酸盐水合物电极材料及其制备方法和应用。所述钒酸盐水合物电极材料的化学式为Ni_0.25V₂O₅·H₂O、Mg_0.25V₂O₅·H₂O或K_0.5V₂O₅·H₂O。称取钒源化合物加入到去离子水中得到钒源溶液，然后加入镍源化合物、镁源化合物或钾源化合物，加热搅拌得到均一溶液，然后加入还原剂乙醇，进行水热反应，分离产物即得钒酸盐水合物电极材料。该材料作为新型的锌离子正极的活性材料电化学性能优异，表现出较高的比容量，良好的循环稳定性和优异的倍率性能。此外，本发明的工艺简单，成本低廉，对于合成钒青铜水合物具有普遍性。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种钒酸盐水合物电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，化石燃料的过度使用导致的能源资源短缺以及全球范围内的环境问题日益凸显。高效的利用可再生能源已经成为可持续发展的必然趋势。然而，风能，太阳能，潮汐能等可再生能源系统分布不平均且能量转换不稳定，不连续。电能存储能将这些零散的能源储存起来，并在需要的时候进行稳定的持续输出。此外，基于电能储存的新能源汽车开始逐渐在各个国家尝试替代燃烧化石燃料的汽车，以减少化石能源的利用以及温室气体的排放。因此，电化学储能体系，例如二次电池，被认为是克服能源危机及环境问题的关键。有机体系锂离子电池目前广泛应用于便携式电子设备，并认为在新能源汽车及大规模电能存储体系中具有巨大潜力。然而，锂资源的匮乏，锂离子电池过高的成本和安全性问题限制了其大规模应用。水系二次电池因其成本低，安全性高，对环境友好，有望应用于大规模电化学储能系统。其中，水系锌离子电池的优势逐渐凸显并引起了科学家们的关注，有望成为继锂离子电池之后成为另一个热门的储能体系。

与锂离子电池相比，水系锌离子电池具有以下几个明显的优势：1)能够用金属锌作为电池负极，金属锌负极具有820mAh g^-1和5855mAh cm^-3的重量比容量和体积比容量。能够在空气环境下便捷的组装电池。2)锌的储量丰富，价格低廉且没有毒性。3)采用中性或酸性的电解液，有效抑制了锌枝晶的生长。4)水系电解液的离子电导率比非水系高2个数量级，能够实现更高的倍率性能，更快的响应速率。然而，水系锌离子电池也有明显的缺点。首先，锌离子负载着两个电荷，与单价态的锂离子相比，在嵌入和脱出活性物质的晶格过程中受到更强的静电作用，导致其离子扩散系数较低。因为这种本征的缺陷，传统的电极材料的性能较差，电解液的高离子电导率得不到利用。

层状的钒酸盐水合物的应用是解决正极材料中离子扩散慢的有效途径。该材料具有钒氧多面体组成的大间距钒氧层，为锌离子的脱嵌和存储提供了通道和空间。并且，水分子分布在层间可以起到静电屏蔽的作用，提高了材料的离子扩散能力。因此，开发新型的钒酸盐水合物材料对于水系锌离子电池的发展和产业化具有重要意义。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种钒酸盐水合物电极材料。

本发明的另一目的在于提供上述钒酸盐水合物电极材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述钒酸盐水合物电极材料作为水系锌离子电池正极活性材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：