[发明专利]钒基正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钒基正极材料及其制备方法和应用。该钒基正极材料包括掺氮碳基体和负载在掺氮碳基体上的量子点尺寸的氮化钒和三氧化二钒，掺氮碳基体和量子点之间形成非均质界面，氮化钒量子点和三氧化二钒量子点之间形成异质结，掺氮碳基体由三聚氰胺煅烧形成。制备方法：将偏钒酸铵和三聚氰胺按摩尔比为1∶2～4加入二甲基亚砜水溶液中，搅拌，得均相固溶体，离心、干燥，在惰性气氛中555℃～1555℃烧结1h～5h，自然冷却即得。本发明的钒基正极材料具有丰富的异质结，制备过程简单，条件易控，用作锌离子电池正极具有长循环稳定性、高比容量、优异的倍率性能，锌离子存储性能突出。

技术领域

本发明属于电化学储能材料技术领域，具体涉及一种钒基正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着消费电子产品需求的不断增长，电动汽车的稳步发展以及人们对储能系统的安全和环保要求越来越高，水系储能器件在新一代电池市场中显示出巨大的潜力。在众多的水系电池中，可充电锌离子电池因其高理论容量(820mA h/g)、丰富的锌资源、高安全性、环保友好而受到人们的广泛关注，但仍面临着有争议的复杂储能机理和不理想的性能挑战，阻碍了其实际应用。为了解决这些问题，开发先进的正极材料(如锰基氧化物、普鲁士蓝类似物、有机化合物和钒基化合物等)十分重要。

钒基化合物具有典型的层状结构和丰富的价态，以及更高的能量密度和理论容量，有效地提高了锌离子存储的性能，成为水系锌离子电池正极材料的合适选择。然而，在高放电深度循环时，倍率性能和循环稳定性普遍较差，这是由于其固有的离子/电子电导率和结构稳定性不能与快速、大量的Zn²⁺插入/脱出相匹配。为了解决这些问题，开发性能优良结构稳定的新型水系锌离子电池正极材料是很有必要的。

氮化钒具有较高的理论比容量，属于间隙化合物或合金族。氮引入过渡金属晶格会使d电子密度增加，具有类似于贵金属的电子结构。然而，通过传统的制备方法获得的氮化钒通常是聚簇颗粒，严重影响其电化学性能的发挥。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种比表面积大、活性位点多，具有丰富的异质结的钒基正极材料，还提供一种过程简单，条件易控，有利于实现规模化生产的制备方法及应用。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种钒基正极材料，所述钒基正极材料为氮化钒/三氧化二钒异质结量子点正极材料，包括掺氮碳基体和负载在所述掺氮碳基体上的量子点尺寸的氮化钒和三氧化二钒，所述掺氮碳基体和量子点之间形成非均质界面，氮化钒量子点和三氧化二钒量子点之间形成异质结，所述掺氮碳基体由三聚氰胺煅烧形成。

上述的钒基正极材料，优选的，所述量子点的颗粒尺寸≤5nm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种钒基正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将偏钒酸铵和三聚氰胺按摩尔比为1∶2～4的比例加入二甲基亚砜与水的混合溶液中，搅拌，得到均相固溶体；

(2)将步骤(1)得到的均相固溶体离心、干燥，得混合粉末；

(3)将步骤(2)得到的混合粉末在惰性气体的气氛中烧结，烧结温度为500℃～1000℃，烧结时间为1h～5h，烧结后自然冷却至室温，得钒基正极材料，即氮化钒/三氧化二钒异质结量子点正极材料。

上述的钒基正极材料的制备方法，优选的，步骤(1)中，先将所述三聚氰胺溶解于二甲基亚砜与水的混合溶液中，进行第一次搅拌混合，得到混合溶液；在所述混合溶液中加入偏钒酸铵，进行第二次搅拌混合，得到三聚氰胺和偏钒酸铵混合的均相固溶体。

上述的钒基正极材料的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述偏钒酸铵和三聚氰胺的摩尔比例为1∶3。

上述的钒基正极材料的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述二甲基亚砜与水的体积比为1∶2～5。