[发明专利]五氧化二钒/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学材料，尤其涉及一种五氧化二钒/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着各种新能源的发展，便携式电子设备的小型化发展及电动汽车对大容量高功率化学电源的广泛需求。目前商品化的锂离子电池大多采用无机正极/石墨体系，其中这些正极材料主要是磷酸铁锂，锰酸锂，钴酸锂，镍酸锂以及混合的体系。虽然这类体系的电化学性能优异，但是由于其本身容量较低(如磷酸铁锂的理论170mAh/g)，制备工艺复杂，成本高等诸多的缺点。所以开发新型的其它种类的正极材料受到了人们的广泛的重视。

V₂O₅具有二维层状结构，属三斜方晶系，在这种结构中，V处于由5个。原子所包围的一个畸变了的四方棱锥体中的中间，V原子与5个O原子形成5个V-O键，因此V₂O₅结构可以看作VO₄四面体单元通过桥氧结合为链状，链与链之间通过双键氧与下一条链上的V作用构成锯齿的层状排列结构，从结构上看，分子或原子嵌入V₂O₅，拉大了层间距离，从而削弱了V₂O₅层对Li⁺的静电作用，同时Li⁺与嵌入物之间具有较好的相容性，使其能较好的脱嵌。V2O5电化学嵌/脱锂离子的电位窗口为4.0~1.5V(vs.Li/Li⁺)，每个V₂O₅最多能够嵌入3个Li⁺，且其理论放电容量可达442mAh/g，因此我们预计正极材料V₂O₅可满足下一代锂离子电池能量密度高和比容量大的需求。

自从Whittingham在1975年首次报道锂离子能可逆地嵌入到V₂O₅中，人们己对V₂O₅的电化学性质进行了大量的研究，发现它电子导电率低（10^-2～10^-3S/cm）和锂离子扩散系数小（10^-12～10^-13cm2/s）等问题，这些限制了V₂O₅在实际应用中的放电容量和倍率性能。为克服V₂O₅存在的问题，人们研究采取了多种改性措施和方法，这主要包括制备纳米结构的V₂O₅和掺杂导电好的活性碳材料。

发明内容

本发明所要解决的问题在于提供一种电子导电率高和放电容量高、且倍率性好的五氧化二钒/石墨烯复合材料；该复合材料可以作为锂离子电池和超级电容器的正极活性材料使用。

本发明的技术方案如下：

一种五氧化二钒/石墨烯复合材料，按照质量百分比，包括70~95%的五氧化二钒和5~30%的石墨烯。

一种五氧化二钒/石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将氧化石墨加入到丙酮中，超声30~180min，形成0.006~0.053mg/ml的悬浮液；

向上述悬浮液中加入三异丙氧基氧化钒和蒸馏水，密封，室温老化2~5天，得到湿凝胶；其中，丙酮、三异丙氧基氧化钒、蒸馏水的体积比为5~15:1:2~5；

取出湿凝胶，先后采用无水丙酮和环己烷洗涤几遍，干燥处理，得到干凝胶；

将得到的干凝胶置于惰性气体保护气氛中，于500~700℃高温反应1~10h，得到五氧化二钒/石墨烯复合材料。

所述五氧化二钒/石墨烯复合材料的制备方法，其中，所述湿凝胶的干燥处理包括：先将湿凝胶室温下干燥，去除残余溶剂；接着在置于马弗炉里于100~130℃下干燥5~12h。

所述五氧化二钒/石墨烯复合材料的制备方法，其中，所述惰性气体可选用氮气、氩气、氦气、氖气中的一种或多种。

本发明还提供一种电池正极，包括铝箔，以及涂覆在铝箔上的正极材料，该正极材料包括质量比为85:5:10的五氧化二钒/石墨烯复合材料、聚偏氟乙烯和乙炔黑，其中，按照质量百分比计算，五氧化二钒/石墨烯复合材料包括70~95%的硼酸铁锂和5~30%的石墨烯。

本发明制得电池正极可以应用于锂离子电池，作为电池正极使用。