[发明专利]一种钒基纳米复合电极材料的制备方法、产品及应用

说明书

本发明公开了一种钒基纳米复合电极材料的制备方法、产品及应用，以十六烷基三甲基溴化铵、偏钒酸铵、硫脲为原料制备混合溶液，然后进行热喷雾干燥后焙烧制备微纳米结构的固体混合物，将所制得的固体混合物加双氧水溶解后再加入一定量的聚乙烯吡咯酮制备静电纺丝溶液后进行静电纺丝，得到纳米纤维，将所得到的纳米纤维再置于马弗炉中烧结即可得到具有介孔形貌的钒基纳米复合电极材料，将本发明制备的钒基纳米复合电极材料在碱性电解液中具有法拉第赝电容特性，它与传统的活性炭负极材料相比，比电容更高，并且具有良好的倍率性能，同时可顺利实现大规模、产业化生产，因此有望取代活性炭成为一种新的超级电容器负极材料。

技术领域

本发明涉及纳米电极材料技术领域，具体涉及一种钒基纳米复合电极材料的制备方法、产品及应用。

背景技术

超级电容器是一种比传统电容器能量密度高、比二次电池功率密度大的新型储能器件。其具有充放电速度快、效率高、循环寿命长、工作温度范围宽、安全性高等优点，如今，超级电容器已经在电动汽车、武器装备、航空航天以及电力储能等领域应用广泛。

由于过渡金属化合物具有可变的价位可以通过氧化还原反应提供理想的赝电容，目前已成为超级电容器电极材料中使用最广泛的金属化合物；在这些材料之中，钒基材料由于其电位窗口大、电导率高、循环稳定性较好等优异的特性已经成为研究最热的电极材料之一，但是现有技术中制备的钒基材料由于稳定性较差，在电化学充放电反应中会造成容量衰减等技术问题，同时，作为负电极材料的钒基材料的电容量仍然远低于高性能的正极材料的比电容，严重制约了超级电容器比能量的提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种钒基纳米复合电极材料的制备方法、产品及应用，其在碱性电解液中具有法拉第赝电容特性，它与传统的活性炭负极材料相比，比电容更高，并且具有良好的倍率性能，同时可顺利实现大规模、产业化生产，因此有望取代活性炭成为一种新的超级电容器负极材料。

本发明的技术方案之一：一种钒基纳米复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：以十六烷基三甲基溴化铵、偏钒酸铵、硫脲为原料制备混合溶液；利用喷雾干燥将制备的混合溶液进行干燥处理后高温焙烧，得到固体混合物；固体混合物再次溶解，并加入聚乙烯吡咯酮制备静电纺丝溶液，并进行静电纺丝得到纳米纤维，将制得的纳米纤维材料在氨气或氮气氛围下高温还原得到钒基纳米复合电极材料。

优选的，具体包括以下步骤：

(1)将十六烷基三甲基溴化铵溶于无水乙醇中，搅拌使十六烷基三甲基溴化铵完全溶解后加入一定量的去离子水，混合均匀，然后加入草酸，搅拌使草酸溶解，加入偏钒酸铵、硫脲，持续搅拌3-5h，得混合溶液；

(2)利用喷雾干燥器对步骤(1)中得到的混合溶液进行喷雾干燥处理后置于马弗炉中高温焙烧得固体混合物；

(3)将步骤(2)制备的固体混合物溶解于过氧化氢溶液中，加入聚乙烯吡咯酮，持续搅拌3-5h得静电纺丝溶液；

(4)将步骤(3)制备的静电纺丝溶液置于注射器中进行静电纺丝，得复合纳米纤维；

(5)将步骤(4)制得的复合纳米纤维在氨气或氮气氛围下高温烧结得到钒基纳米复合电极材料。

优选的，步骤(1)中十六烷基三甲基溴化铵的摩尔质量与无水乙醇的体积比为1mol:(10-120)L，无水乙醇与去离子水的体积比为1:2至5:1，草酸、偏钒酸铵、硫脲、十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为(1-5)∶(10-1)∶(1-5):1。

优选的，步骤(2)中喷雾干燥处理的温度为100-180℃，高温焙烧温度为400-500℃，焙烧时间为1-2h。

优选的，步骤(3)具体为将步骤(2)制备的固体混合物溶解于过氧化氢溶液中，冰水浴控制反应温度在0-5℃，直到粉末完全溶解，室温下加入聚乙烯吡咯酮，持续搅拌3-5h得静电纺丝溶液。