[发明专利]一种基于五氧化二钒的有机无机杂化材料制备方法及其在锌离子电池中的应用

说明书

本发明提供一种基于五氧化二钒的有机无机杂化材料制备方法及其在锌离子电池中的应用，本发明将将有机物通过原位合成的方式掺杂到五氧化二钒中，有效增加五氧化二钒层间距，提供一种具有高比容量、循环性能好、成本低廉且环境友好的锌离子电池正极电极材料。

技术领域

本发明属于锌离子电池领域，具体涉及一种基于五氧化二钒的有机无机杂化材料的制备方法及其在锌离子电池中的应用。

背景技术

人类社会的生存与发展与能源密切相关，化石能源如煤炭、石油、天然气的普遍应用极大促进了世界的发展和社会的进步，然而全世界范围内能源消耗也日趋增加，可再生能源逐渐替代不可再生能源的议题赢得了全世界范围的共识，然而以太阳能、风能为代表的可再生能源存在着不连续、不稳定的问题，使得无法充分利用，造成了大量的能源资源浪费，因此，大规模储能技术成为了一个重要的研究领域。

在众多储能技术中，二次电池是电化学能源存储的转化技术的代表，锂离子电池目前占据了便携式移动电子设备的主要市场，而且正在向混合电动汽车市场方向飞速发展，这将导致锂的需求量大大增加，造成锂离子电池成本的提高；另一方，锂离子电池中普遍采用的有机电解液具有可燃性，电池在运行过程一旦出现热失控的现象即可能发生燃烧甚至爆炸，这一安全问题屡见不鲜，使得人们逐渐考虑锂离子电池的替代品。水系锌基电池可以从根本上解决电池的安全问题，同时锌元素在地壳中的丰度远远高于锂，成本上更具优势，所以，水系锌离子电池是一种非常有前景的二次电池。

目前，制约锌离子电池发展同时锌离子电池中研究最多的当属锌离子电池正极材料，目前报道的储锌正极材料主要有聚阴离子型化合物(NASICON)、二氧化锰和五氧化二钒类材料，其中聚阴离子型化合物的容量太低，无法实际应用，二氧化锰类材料特点在于电压较高，但是容量较低，且循环问题特别突出，对于二次电池应用上仍有较多问题需要解决。五氧化二钒类材料由于钒具有丰富的可变价态，拥有最高的理论比容量，同时其结构相较于二氧化锰更为稳定，因此是一种很有潜力的锌离子电池正极材料。但是该材料的循环性能仍然制约了其进一步应用，锌离子在充放电循环时不断嵌入脱出材料会使得层结构逐渐坍塌，同时活性材料逐渐溶于电解液，造成容量降低，因此寻找一种合适的方法撑开并稳定其层间距是一大研究热点，现在比较普遍的是采用一种或多种金属阳离子嵌入五氧化二钒的方法合成各类钒酸盐，可以一定程度提高五氧化二钒层间距，提升其容量性能，但对于抑制溶解问题并不能有效改善，在循环过程中性能衰减仍较为严重，所以还有很大的改进空间，亟需寻找一种新思路用于改性五氧化二钒材料。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有高比容量、循环性能好、成本低廉且环境友好的锌离子电池正极电极材料。

本发明的目的还在于提供一种用于提供一种基于五氧化二钒的有机无机杂化材料。

本发明的目的还在于提供一种有效增加五氧化二钒层间距的方法，尤其涉及利用有机聚合物嵌入五氧化二钒层间提高其层间距构成一种新型有机无机杂化材料的方法。

本发明的技术方案如下：

1、一种基于五氧化二钒的有机无机杂化材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将钒源、还原剂去离子水混合，得到混合溶液A；

(2)将步骤(1)的混合溶液A置于水热釜中，然后将水热釜放入鼓风烘箱中，于160-200℃下水热反应5-20h，得到五氧化二钒前驱体溶胶；

(3)向所述五氧化二钒前驱体溶胶中加入有机小分子水溶液，于0-25℃搅拌2-24h，静置，过滤，干燥，得到所述基于五氧化二钒的有机无机杂化材料，有机小分子与前驱体可以自发组装原位产生均匀的有机分子嵌入无机V₂O₅骨架的材料。

基于以上技术方案，优选的，步骤(1)中钒源和还原剂的摩尔比为1：1-2；所述混合溶液A中钒源浓度为0.05-0.2mol/L。