[发明专利]磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维及其制备方法和应用，通过简单的静电纺丝法一步合成多孔纳米纤维，煅烧后组装电池并测试其作为锌离子电池正极材料的电化学性能。磷掺杂能够改变钒氧键周围电子分布，进而改善电导率；五氧化二钒/七氧化三钒复合材料能够增强结构的稳定性；多孔纳米纤维能够增加电极材料和电解液接触的比表面积。本发明通过控制磷酸与乙酰丙酮氧钒的比例，可以获得不同电化学性能的磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维材料。与公开的锌离子电池电极材料相比，首次将磷酸作为磷源，与五氧化二钒/七氧化三钒复合材料掺杂进行改性，并构建多孔纤维结构，为其它锌离子电池电极材料的制备提供了参考。

技术领域

本发明属于电化学储能技术领域，具体涉及磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，新能源技术特别是可充电电池的发展取得了较大的进展。目前，锂离子电池由于其能量传输效率高、高电压以及循环寿命长而被广泛应用于商用储能设备，然而其高成本和安全性等诸多问题严重阻碍了大规模应用。水系锌离子电池由于具有高导电性、锌金属资源丰富、化学物理稳定性高、环境友好以及安全性高而具有广阔的应用前景。

目前，水系锌离子电池的电极材料主要包括锰氧化物、普鲁士蓝、醌类似物以及钒氧化物等。其中，五氧化二钒(V₂O₅)中钒具有多价态及氧化物的层状结构有利于锌离子有效嵌入和脱出；然而V₂O₅在作为锌离子电池的电极材料时由于锌离子的水合半径较大在锌离子嵌入/脱出过程中V₂O₅层间范德华力减弱导致结构坍塌。目前研究人员主要是通过离子插层、水插层及制备复合材料等方法来对其进行改善；并且过渡金属氧化物本身的电导率及离子传输能力相对较差，通过掺杂能够有效地改变电子分布进而改善电导率，从而能实现较好的电化学性能。

文献1“Wang S,Zhu K,Yang L,et al.Synthesis and study of V₂O₅/rGOnanocomposite as a cathode material for aqueous zinc ion battery[J].Ionics,2020,26(34):5607-5615.”公开了一种水热法制备V₂O₅/rGO纳米材料的方法，该方法以偏钒酸铵和还原氧化石墨烯为反应源进行水热反应，通过冷冻干燥和煅烧得到最终产物。通过与rGO复合以增加V₂O₅的结构稳定性以及电导率，最终改善其作为锌离子电池正极材料时的倍率性能及循环稳定性，虽然相比商业化V₂O₅该复合材料的循环性能较好，但其在0.1Ag^-1电流密度下所对应的比容量只有175mAh g^-1。

文献2“Gao P,Ru Q,Yan H L,et al.A durable Na_0.56V₂O₅ nanobelt cathodematerial assisted by hybrid cationic electrolyte for high-performance aqueouszinc-ion batteries[J].ChemElectroChem,2020,7(1):283-288.”公开了一种水热法制备Na⁺掺杂V₂O₅正极材料的方法，该方法用商业化V₂O₅和柠檬酸钠为反应源进行水热反应，并通过洗涤、干燥得到最终产物。Na⁺掺杂以及混合阳离子电解液增加层间距并稳定V₂O₅的结构，以实现较好的电化学性能，但其在0.1A g^-1电流密度下的首次放电比容量只有317mAh g^-1。