[发明专利]一种锌离子电池钒基正极材料的制备方法及其产品与应用

说明书

本发明公开了一种锌离子电池钒基正极材料的制备方法及其产品与应用，包括以下步骤：1)将钒基化合物溶解于水中，得到钒基化合物溶液，然后在搅拌条件下向溶液中滴加有机胺，得到混合溶液；2)在搅拌条件下向混合溶液中滴加无机酸，滴加完毕后，继续搅拌至混合均匀，得到反应液；3)将反应液转至高压水热釜中，放入油浴锅中，加热至设定温度，进行反应，反应完毕后，自然冷却至室温，然后将反应液进行抽滤，干燥后，得到钒基正极材料。本发明中的钒基正极材料是一种有机分子嵌入的纳米线结构，其综合了无机材料、有机材料以及独特纳米线结构的优良特性，弥补了钒氧化物的缺陷，具有良好的组装性能，具有电化学性能优异，长循环稳定的特点。

技术领域

本发明属于锌离子电池领域，具体涉及一种锌离子电池钒基正极材料的制备方法及其产品与应用。

背景技术

在电池的研究历程中，研究者们致力于开发高能量/功率密度、长循环寿命、安全性好、价格低廉的理想电池，以满足人们对个人电子设备、电动汽车、大规模储能设备及其他智能电网中的电力需求。自上世纪90年代Sony公司开发出第一代的锂离子电池以来，它们凭借高能量/功率密度、自放电慢、循环寿命长等优点在电化学储能领域占据主导地位。随着锂资源的匮乏导致的电池成本高昂，安全风险以及操作复杂等问题，使得高能量/功率密度、成本低廉、操作简单、高安全性、环境友好的可充电水系锌离子受到了广泛关注，被认为是锂材料最具有吸引力的替代品之一。而且，除电化学方面外，锌资源丰富，价格比铝略高，不到铜的三分之一，与锂电池相比，锌电池的成本会小得多。

正极材料是影响电池性能的直接因素，它既是提高电池比能量的关键，也是决定电池成本的最重要因素(约占电池成本的30％-40％)。因此，开发一个合适的正极材料很关键。现在所使用的锌离子电池正极材料中，钒氧化物由于储量大，钒具有+2～+5的可变价态，在电极材料中可以实现多电子转移，实现高容量。此外，钒氧化物具有多种变体，其化学组成、晶体结构的差异都会导致电化学性能的不同，因而为开发高比能、高功率电极材料提供可能。钒氧化物独特的层状结构为Zn离子嵌入和脱出提供畅通的通道，被认为是锌离子电池的理想正极材料。但是由于它在嵌入/脱出锌离子过程中会产生严重的体积变化，从而造成长循环不稳定以及小电流衰减过快等问题。Zn离子半径较大，从而造成Zn离子不易脱出，阻碍离子扩散动力学。而有机分子的嵌入，一方面扩大了层状结构的层间距，从而促进高性能锌离子电池的离子脱出/嵌入动力学。另一方面作为层间支撑保持结构的稳定性，使得电池具有优异的长循环稳定性。迄今，相对于其他类型的电池，锌离子电池的正极材料的研究仍处于起步阶段，现有锌离子电池正极材料数量有限，且效果并不十分理想。具有双层结构的V₂O₅·nH₂O由于储量丰富、制备简单，层间距大等优点，被认为是一种具有应用前景的锌离子电池正极材料(参考文献：Yan.M,He.P,Chen.Y,Wang.S,Wei.Q,Zhao.K,Xu.X,Mai.L,Liu.J,Yang.J,“Water-Lubricated intercalation in V₂O₅·nH₂O for high-capacity and high-rate aqueous rechargeable zinc batteries”Adv Mater,2018(30):1703725)。然而，V₂O₅·nH₂O也具有层状结构不稳定和导电性差是等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种电化学性能优异，长循环稳定的锌离子电池钒基正极材料的制备方法及其产品与应用。

本发明这种锌离子电池钒基正极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将钒基化合物溶解于水中，得到钒基化合物溶液，然后在搅拌条件下向溶液中滴加有机胺，得到混合溶液；

2)在搅拌条件下向步骤1)中的混合溶液中滴加无机酸，滴加完毕后，继续搅拌至混合均匀，得到反应液；