[发明专利]一种闪速焦耳热超快合成氮杂碳点复合三氧化二钒水系锌离子电池正极材料的方法

说明书

本发明属于电池材料技术领域，公开了一种闪速焦耳热超快合成氮杂碳点复合三氧化二钒水系锌离子电池正极材料的方法。步骤为：首先将一定质量的五氧化二钒粉末加入到一定浓度的氯化钠溶液中并混合搅拌一段时间，再通过离心干燥获得氯化钠处理的五氧化二钒粉末。随后，将尿素与上述处理后的五氧化二钒粉末按照一定的质量比例混合均匀并充分研磨。最后，将研磨后的粉末放置于焦耳炉的碳导电基底上，通过闪速焦耳热处理即可制备得到本发明中的氮杂碳点复合三氧化二钒水系锌离子电池正极材料。此方法制备的氮杂碳点/三氧化二钒复合材料表现出了优异的充放电性能和良好的循环稳定性。本发明具有合成方法简单、生产成本低以及可大批量生产的显著特点。

技术领域

本发明提供了一种钒基水系锌离子电池正极材料的超快制备方法，具体为一种闪速焦耳热超快合成氮杂碳点复合三氧化二钒水系锌离子电池正极材料的方法。

背景技术

在各类储能系统中，锂离子电池因具有能量密度高和循环寿命长的特点而在商用二次电池市场上占据了主导地位。然而，锂离子电池存在有机电解液易燃以及锂资源稀缺的问题，严重影响了其大规模应用。因此，设计和开发成本低廉、安全环保和能量密度高的水系二次可充电电池势在必行。在众多的水系储能体系中，水系锌离子电池具有理论容量高(820mAh/g)和氧化还原电位低的显著优势。近年来，水系锌离子电池作为一种新型的绿色电源获得了越来越多的关注，其在储能领域也展现出了更为广阔的应用前景。

目前研究最为广泛的水系锌离子电池正极材料主要有锰基氧化物、钒基氧化物和普鲁士蓝等，其中普鲁士蓝材料的容量较低、循环性较差；而锰基氧化物的倍率性能则较差，容量衰减也较快。相比之下，钒基氧化物包括五氧化二钒(V₂O₅)、二氧化钒(VO₂)、三氧化二钒(V₂O₃)等则具有价格低廉、储量丰富且理论容量高的显著优势。在这些材料中，三氧化二钒具有三维V-V框架和隧道结构以及毒性低的特点，因而受到了研究人员的广泛关注。但同时，三氧化二钒存在着由空间结构大和充放电过程中价态变化所引起的结构坍塌问题，以及导电性差的问题，严重阻碍了其在水系锌离子电池领域的应用与发展。

复合石墨烯，碳纳米管、碳点等高导电性材料是提高三氧化二钒电化学性能的常用策略之一。碳纳米材料可以有效提高三氧化二钒的导电性，减少循环过程中锌离子嵌入和脱出时所受到的库伦阻力，进而提高锌离子的扩散系数。

在本发明之前，传统碳/三氧化二钒复合材料的合成大多以水热和长时间煅烧为主，制备方法耗时耗力、过程繁琐、成本较高，不适合大规模的工业生产。相比之下，闪速焦耳热法采用超短脉冲电流直接给样品加热，所需能耗极低并能瞬时达到3000℃以上的超高温度，且具备超快升温和超快降温等特点，十分有利于各类材料的快速以及规模化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、生产成本低和便于大规模生产的钒基水系锌离子电池正极材料的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明利用闪速焦耳热法，借助其超快升温的特点，制备合成了氮杂碳点复合三氧化二钒的正极材料。

其具体包括以下步骤：

第一步：将一定质量的五氧化二钒粉末加入到一定浓度的氯化钠溶液中并在室温下混合搅拌一定时间后离心干燥得到氯化钠处理的五氧化二钒粉末备用；

第二步：称取一定质量的尿素与氯化钠处理的五氧化二钒粉末研磨均匀备用；

第三步：将混合粉末置于焦耳炉的石墨纸上，通过闪速焦耳热快速处理即可制得氮杂碳点复合三氧化二钒的水系锌离子电池正极材料。

进一步的上述的制备方法，其中：五氧化二钒粉末和氯化钠溶液的用量比为1-5g：100mL，其中，氯化钠溶液的浓度为1-5mol/L；室温下混合搅拌时间为72小时。