CN110518202B - 一种自支撑的V2O5/rGO纳米阵列钠离子电池材料及其制备方法 - Google Patents

一种自支撑的V2O5/rGO纳米阵列钠离子电池材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种还原氧化石墨烯（rGO）改性的自支撑V2O5纳米阵列的制备方法。具体是将泡沫镍用稀盐酸超声清洗之后继续用大量的去离子水冲洗。V2O5/rGO纳米阵列均匀分布在Ni基底上，且单位面积V2O5/rGO活性物质的量为4‑5 mg·cm‑2。所述的V2O5/rGO纳米阵列钠离子电池负极片以偏钒酸铵为原料，水浴加热条件下加入稀盐酸调节溶液pH值至2.0‑4.0后在水热条件下发生化学反应，在空气中退火后得到V2O5纳米阵列。随后用GO溶液对上述纳米阵列进行包覆后在氮气气氛下高温还原，得到V2O5/rGO纳米阵列。该钠离子负极材料合成方法简单，易于操作。由V2O5/rGO纳米阵列负极片组装成的钠离子半电池循环性能稳定，在钠离子电池中具有潜在的应用价值。

Description

一种自支撑的V2O5/rGO纳米阵列钠离子电池材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种新型的阵列型钠离子电池负极材料，特别涉及一种纳米阵列形貌的V2O5/rGO钠离子电池阵列材料的制备方法，属于钠离子电池领域。
背景技术
随着经济高速发展，能源的重要性不断提高。随着传统化石能源如煤、石油、天然气等进一步消耗，能源短缺这一问题亟待解决。锂离子电池作为一种新型储能设备，由于其所具有高比能量、低自放电率、长寿命、无记忆效应、环境友好等优点，使其成为研究热点，目前已广泛应用于便携式电子设备以及电动汽车中。但是随着锂离子电池的广泛应用，锂资源储量不足成为限制锂离子电池发展的致命因素。钠元素在地球上的储量远多于锂，而钠离子电池工作原理与锂离子电池类似，因此钠离子电池成为锂离子电池的有效替代产品。层状过渡金属氧化物一直是能源领域的研究热点，其中V2O5由于成本低、资源丰富及安全性高的优点，广泛应用于超级电容器和锂离子电池正负极，但很少有将其用于钠离子电池负极的报道。由于Na+半径较大，V2O5电子导电性差造成的迟滞的反应动力学也导致较差的电化学性能，进而限制了V2O5在钠离子电池的进一步应用。
发明内容
针对上述问题，本专利采用水热法合成了一种自支撑V2O5纳米阵列材料，将V2O5与具有三维Ni网结合，进一步通过rGO包覆改性，提高电极材料的导电性和循环稳定性。以其作为钠离子电池无粘结剂负极，展现出明显的充、放电平台和较好的循环性能，具有极大的潜在应用价值。
本发明的目的在于以偏钒酸铵为原料以Ni网为基底，调节溶液pH值，通过水热反应利用高温高压环境制备V2O5纳米阵列的前驱体，进一步在空气中退火处理后得到V2O5纳米阵列，随后加入GO溶液烘干后在N2气氛下退火得到自支撑V2O5/rGO纳米阵列。
本发明所涉及的原料为偏钒酸铵、盐酸、Ni网和GO溶液。材料制备过程中先将偏钒酸铵放置于容器中并加入去离子水置于35-80 oC水浴锅中搅拌0.2-1h，偏钒酸铵水溶液的浓度为0.005-0.1mol/L，待其完全溶解后逐滴加入盐酸稀释液（盐酸稀释液的浓度为1-4mol L-1）调节溶液pH至2-4。然后将以上溶液转移到水热反应釜中并加入处理过的Ni网在150-200 oC水热反应10-24 h，随后进一步在空气中350-600 oC退火1-5h后得到V2O5阵列。为提高材料的导电性和循环稳定性，再将V2O5阵列浸入浓度为2-10 mg mL-1 GO溶液中1-5h后烘干，在N2环境下退火得到rGO完全包覆的自支撑V2O5/rGO纳米阵列。
本专利发明的自支撑V2O5/rGO纳米阵列钠离子负极材料及其制备方法具有以下特点：
(1)本发明制备成本低、实验过程简单、极易操作。
(2)本发明得到的V2O5/rGO纳米阵列在基底材料上覆盖均匀，接触紧密。
(3)制备得到V2O5/rGO纳米阵列长度为5-20 μm，宽度为0.5-3.0 μm，且阵列由纳米颗粒组装而成，具有均匀多孔的形貌。且rGO包覆层完整覆盖在V2O5阵列表面，提高阵列的导电性。将阵列连接成整体，为电子传输提供良好的通道，且保证其在循环过程中的结构稳定性。
(4)制备得到的自支撑V2O5/rGO纳米阵列材料单位面积活性物质质量为4-5 mgcm-2，在如此高活性物质负载量的情况下V2O5/rGO电极依然具有较稳定的电化学循环性能。
附图说明：
图1为实施例1所制备样品的XRD图谱。
图2为实施例1所制备样品的SEM图。
图3为实施例1所制备样品的充放电性能图(a)和(b)循环性能图
图4为实施例1所制备样品的XRD图谱。
图5为实施例1所制备样品的SEM图。
图6为实施例1所制备样品的充放电性能图(a)和(b)循环性能图
图7为实施例2所制备样品的SEM图。
图8为实施例2所制备样品的充放电性能图(a)和(b)循环性能图。
图9为实施例3所制备样品的SEM图。
图10为实施例3所制备样品的充放电性能图(a)和(b)循环性能图。
具体实施方式：
实施例1
将0.01 mol偏钒酸铵粉末置于烧杯中并加入70 mL去离子水，将其置于75 oC水浴锅中持续搅拌30 min，待其完全溶解后逐滴加入浓度为2 mol L-1的盐酸溶液调节pH值到4.0。将以上溶液转入100 mL水热反应釜中并加入泡沫镍(3×7 cm2)在180 oC下水热反应24h，其中泡沫镍以60°角度斜靠在水热釜内，进一步在空气中500 oC退火1 h得到V2O5纳米阵列。随后将其浸入3 mL GO溶液（浓度为5mg mL-1）中，烘干后在N2气氛下550oC下退火1 h后得到V2O5/rGO纳米阵列。图1为制备得到的V2O5纳米阵列的XRD图谱。可以看到除了Ni和NiO和V3O7的特征峰之外，分别在15.3°、20.3°、21.7°、25.9°、30.8°、32.2°、34.1°和51.4°出现了V2O5的特征峰，其XRD图谱与V2O5(JCPDS No .41-1426)卡片相一致。如图2，对合成过程中的V2O5纳米阵列和包覆后的V2O5/rGO纳米阵列进行SEM表征。可以看到制备得到的V2O5为纳米带状形貌，宽度为2-3 μm，长度为10-20 μm，且均匀的分布在Ni网上（图2a）。图2b，c分别为循环前后的V2O5/rGO纳米阵列的SEM图像，可以看到rGO包覆在V2O5纳米阵列表面，且循环后形貌仍然保持完整。将其作为负极材料组装成为钠离子半电池，在200 mAh g-1电流密度下进行充放电测试，首次放电比容量达到1010.7 mAh g-1，前20圈容量衰减到200 mAh g-1，后面容量保持稳定。经过200圈循环后仍然具有140 mAh g-1的比容量(图3b)，库仑效率接近100%，显示出较好的电化学性能。
实施例2
将0.01 mol偏钒酸铵粉末置于烧杯中并加入70 mL去离子水，将其置于75 oC水浴锅中持续搅拌30 min，待其完全溶解后逐滴加入浓度为2 mol L-1的盐酸溶液调节pH值到4.0。将以上溶液转入100 mL水热反应釜中并加入泡沫镍(3×7 cm2)在180 oC下水热反应24h，其中泡沫镍以60°角度斜靠在水热釜内，随后进一步在空气中500 oC退火1 h后得到V2O5纳米阵列。图4为制备等得到的V2O5纳米阵列的XRD图谱。可以看到除了Ni的特征峰之外，其余峰均与V2O5(JCPDS No .41-1426)卡片相一致。如图5，对其进行SEM表征可以看到制备得到的V2O5为纳米带状形貌，宽度为1-3 μm，长度为10-20 μm，纳米颗粒组装而成，由且均匀的分布在Ni网上。将其作为负极材料组装成为钠离子半电池，在200 mAh g-1电流密度下进行充放电测试，首次放电容量达到1057.2 mAh g-1，前50圈容量衰减到138 mAh g-1，后面容量保持稳定。经过200圈循环后仍然具有87 mAh g-1的比容量(图6b)，库伦效率接近100%，显示出较好的电化学性能。
实施例3
将0.01 mol偏钒酸铵粉末置于烧杯中并加入70 mL去离子水，将其置于75 oC水浴锅中持续搅拌30 min，待其完全溶解后逐滴加入浓度为2 mol L-1的盐酸溶液调节pH值到2.0。将以上溶液转入100 mL水热反应釜中并加入泡沫镍(3×7 cm2)在180 oC下水热反应24h，其中泡沫镍以60°角度斜靠在水热釜内，随后进一步在空气中500 oC退火1 h得到V2O5纳米阵列。如图7，对其进行SEM表征可以看到制备得到的V2O5为纳米片阵列形貌，宽度为2-4 μm，长度为2-4.5 μm，由纳米颗粒组装而成，具有明显的孔隙结构。按照实施例1的方式组装半电池进行测试，图8表明实施例2所制备的V2O5纳米阵列在200 mAh g-1电流密度下，首次放电容量达到1025.7 mAh g-1。经过200次循环后容量趋于稳定，容量维持在85 mAh g-1，显示出较好的电化学性能。
实施例4
将0.01 mol偏钒酸铵粉末置于烧杯中并加入70 mL去离子水，将其置于75 oC水浴锅中持续搅拌30 min，待其完全溶解后逐滴加入浓度为2 mol L-1的盐酸溶液调节pH值到3.0。将以上溶液转入100 mL水热反应釜中并加入泡沫镍(3×7 cm2)在180 oC下水热反应24h，其中泡沫镍以60°角度斜靠在水热釜内，随后进一步在空气中500 oC退火1 h后得到V2O5纳米阵列。如图9，对其进行SEM表征可以看到制备得到的V2O5为纳米阵列形貌，宽度为0.5-2μm，长度为5-20 μm。按照实施例1的方式组装半电池进行测试，图10表明实施例3所制备的V2O5纳米阵列在200 mAh g-1电流密度下，首次放电容量达到1374 mAh g-1。经过200次循环后容量趋于稳定，容量维持在87 mAh g-1，显示出较好的电化学性能。

Claims (6)

1.一种自支撑的V2O5/rGO纳米阵列在钠离子电池负极材料上的应用，其特征在于：该V2O5/rGO纳米阵列由纳米颗粒组装而成，具有多孔结构，V2O5/rGO纳米阵列长度为5-20 μm，宽度为0.5-3.0 μm，厚度为0.1-0.3 μm，且rGO包覆在V2O5阵列表面，制备方法，包括如下步骤：
(1) 称取偏钒酸铵加入去离子水后置于水浴锅中持续搅拌至其完全溶解，向溶液中逐滴加入盐酸稀释液调节溶液的pH值，随后将上述溶液转入水热反应釜中并将Ni网倾斜置于其中水热反应，制备得到V2O5纳米阵列前驱体，随后在空气中退火得到V2O5纳米阵列，偏钒酸铵水溶液的浓度为0.005-0.1mol/L，盐酸稀释液的浓度为1-4mol L-1；
(2) 将V2O5纳米阵列浸入氧化石墨烯溶液后烘干，GO溶液的固含量是2-10 mg mL-1，完全干燥后的阵列材料在氮气气氛下退火得到自支撑V2O5/rGO纳米阵列。
2.根据权利要求1所述的自支撑的V2O5/rGO纳米阵列在钠离子电池负极材料上的应用，其特征在于：V2O5/rGO纳米材料活性物质的质量为4-5 mg·cm-2。
3.权利要求1所述的自支撑的V2O5/rGO纳米阵列在钠离子电池负极材料上的应用，其特征在于：步骤(1)中水浴加热应温度为35-80 oC，水浴加热时间为0.2-1.0 h。
4.权利要求1所述的自支撑的V2O5/rGO纳米阵列在钠离子电池负极材料上的应用，其特征在于：步骤(1)中水热反应温度为150-200 oC，水热反应时间为10-24 h。
5.权利要求1所述的自支撑的V2O5/rGO纳米阵列在钠离子电池负极材料上的应用，其特征在于：步骤(1)中退火是在空气中，温度为350-650 oC，退火1-5 h。
6.权利要求1所述的自支撑的V2O5/rGO纳米阵列在钠离子电池负极材料上的应用，其特征在于：退火是在N2中，温度为300-600 oC，退火1-5 h。
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