[发明专利]一种高比容量水合钒酸镁及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种高比容量水合钒酸镁及其制备方法与应用，将五氧化二钒和硝酸镁分散和溶解于去离子水中，搅拌分散均匀后在160～180℃水热反应12～24h，静置沉淀，沉淀用去离子水洗涤后在80℃干燥12h，即得。所得到的水合钒酸镁结构式为Mg_xV₂O₅·nH₂O，其中，x为0.17～0.2，n为1.26～1.38。将制备得到的水合钒酸镁、Super P导电炭黑和聚偏氟乙烯混合制备成浆料，然后涂覆于钛箔上制成正极，与锌片负极、玻璃纤维隔膜和含有锌离子的水系电解液组成锌离子电池，在100mA/g电流密度下的最高放电比容量可达410.8mAh/g。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，具体涉及一种Mg_xV₂O₅·nH₂O的制备方法与应用。

背景技术

随着环境污染和化石资源枯竭日益严重，开发太阳能、风能、潮汐能等清洁可再生能源刻不容缓。然而，这些新能源具有间歇性的特点，需要配套能量存储设备。在众多能量存储设备中，锂离子电池占据了主导地位，在移动电子设备和电动汽车领域已被广泛应用。遗憾的是，锂离子电池面临着三大问题：(1)锂矿物在地球表面的储量低，导致锂原料价格昂贵；(2)锂离子电池电解液中的有机溶剂价格高昂，且易燃易爆，事故频发；(3)锂离子电池的组装需要在无水无氧的条件性进行，进一步增加了成本。以上问题使得锂离子电池安全性低、成本高，其实并不适用于大型的能量存储设备。例如，2018年7月份韩国灵岩风力发电厂发生锂离子电池爆炸事故，引发重大火灾，烧毁了超过700m³规模的电池建筑和超过3500块锂离子电池，损失惨重。因而，很有必要开发水系电池。采用水作为电解液溶剂，不仅可以大幅降低成本，还能够显著提高安全性。其中，水系锌离子电池因以下优点而具有独特的优势：(1)锌矿物储量丰富，价格低廉；(2)锌金属的氧化还原电势合适(–0.76V vs.SHE)，且析氢过电势高，刚好用作水系电池的负极；(3)锌金属理论容量高(820mAh/g，5851mAh/cm³)，且在水和空气中都能保持化学稳定性。因此，水系锌离子电池有望在大型能量存储器件、智能电网、电动汽车等领域大放异彩。

目前，锌离子电池的关键技术是储锌正极材料。一方面，需要有合适的储锌电位，保证既能实现高电压，又不受水分解的影响。另一方面，尽管锌离子的直径低于锂离子锌离子更大的质量和更高的价态导致其在电极材料中传输时遭受的动力学阻碍比锂离子更严重。因此，可供选择的高性能储锌正极材料并不多。普鲁士蓝类似物较早地被研究用作储锌正极材料，但是比容量过低，并不具备实用性。锰氧化物被大量报道用于储锌正极材料，但是循环稳定性和倍率性能都不够理想。近两年，钒基材料以其高比容量以及优异的倍率性能和循环稳定性而越来越受到研究者的关注。一般认为，钒基材料的储锌机理是锌离子的可逆嵌入和脱出。对于M_xV₂O₅·nH₂O(M为Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等)这类阳离子预嵌入层状钒氧化物，水合M离子的半径直接影响着材料的层间距。在其它参数相同的前提下，层间距越大，锌离子越容易在M_xV₂O₅·nH₂O层间迁移和储存。考虑到Mg²⁺的水合离子半径较大，Mg_xV₂O₅·nH₂O有望成为高性能的储锌正极材料。