[发明专利]基于静电自组装法制备层状钒酸盐电极材料的方法及应用

说明书

本发明公开了一种普适性的静电自组装法方法制备阳离子插层的层状钒酸盐及其水系锌离子电池应用。本发明方法包括：通过水热合成制备出五氧化二钒纳米层片胶体乳液前驱体；通过静电自组装法，向不同种类的阳离子盐溶液加入前驱体获得絮状沉淀并过滤烘干，最终得到阳离子插层的层状钒酸盐通式为M_xV₂O₅·nH₂O(M为Li⁺、Na⁺、K⁺、Be²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr⁴⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺，Al³⁺、NH₄⁺中的一种)。采用本发明制备的层状钒酸盐为正极材料，组装水系锌离子电池具有比容量大、放电平台稳定、工作电位高的性能优势以及普适性强、成本低廉、安全高效的实用价值。

技术领域

本发明属于化工材料合成领域，尤其涉及一种基于静电自组装法制备层状钒酸盐电极材料的方法及应用。

背景技术

社会经济和科学技术的飞速发展也为资源利用和环境保护方面带来诸多问题，因此可再生能源逐渐取代不可再生能源的可持续发展观念赢得全世界的认可，相应的储能材料和储能设备制备技术也成为一个重要的研究领域。

电池是公认的最有效的绿色能源储存设备。锂离子电池虽然已占据移动电子设备的主要市场，但锂离子电池成本较高，并且锂离子电池中普遍采用可燃的有机电解质，锂离子电池燃烧甚至爆炸的案例层出不穷，因此开发出锂离子电池的替代品迫在眉睫。水系锌离子电池作为最有希望解决安全问题的新一代储能器件，采用水作溶剂的电解质，并且锌的地球储量极为丰富，成本较低，满足锌离子电池大规模生产的需要，吸引了国内外研究者的广泛兴趣和高度关注。

制约锌离子电池发展的主要因素为锌离子电池正极材料，其很大程度上决定电池的综合性能，因此需要开发出容量高、放电平台稳定、稳定性好的电极材料。目前用于锌离子电池的正极材料主要有锰基材料、钒基材料、普鲁士蓝类似物以及有机醌类等材料，这其中锰基材料、普鲁士蓝类似物、有机醌类等材料的容量过低，具有高放电比容量、晶体结构多样、资源丰富的五氧化二钒(V₂O₅)备受关注。研究表明，在V₂O₅层间嵌入金属/非金属离子形成钒酸盐可以有效扩展和维持材料的层状结构，改善材料的储锌能力及循环稳定性。然而，当前的离子预嵌方法种类繁杂、工艺复杂且不具备普适性，需要寻找一种普适性的合成方法实现不同种类金属离子的嵌入，以制备高性能的层状钒酸盐应用于水系锌离子电池正极材料。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种工艺简便、普适性强的静电自组装法制备钒酸盐电极材料及其锌离子电池应用。

技术方案：本发明的基于静电自组装法制备层状钒酸盐电极材料的方法，包括如下步骤：

(1)采用水热法制备五氧化二钒纳米层片胶体乳液前驱体：将五氧化二钒加入去离子水后，加入过氧化氢水溶液并混合搅拌一段时间，最终得到无新气泡产生的橘红色溶液A；将含溶液A的反应釜置于鼓风烘箱中并在一定温度下水热反应一段时间最终得到橘红色胶体乳液B；