[发明专利]一种铁掺杂焦钒酸铜材料的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铁掺杂焦钒酸铜材料的制备方法和应用，将氯化铜、氯化铁和偏钒酸铵溶解在水溶剂中，将所形成的混合溶液放入高压釜在一定温度下加热一定时间反应并收集干燥，得到铁掺杂的焦钒酸铜材料。铁元素的掺杂可以有效地影响材料的电化学储锌的工作机制，获得的产品铁掺杂的焦钒酸铜材料具有更高的容量以及循环稳定性。本发明以去离子水为溶剂在170～190℃的较低温度下进行反应；产品质量稳定；铁掺杂焦钒酸铜材料还可以用作高性能水系锌离子电池的正极材料，有效地提升了正极材料的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种铁掺杂焦钒酸铜材料的制备方法和应用，属于新材料技术领域。

背景技术

人类社会发展的历程，能源与人的生活息息相关。近年来，为了实现可持续的发展，减少对化石能源的依赖，人致力于开发可再生清洁新能源。然而，以风能、太阳能、潮汐能、生物质能和地热能等为代表的清洁能源存在间歇性和不规律性的缺陷。因此，在具体应用层面上，需要大型的能源储存与转换系统，以解决可再生能源的产生与能源的消费具有时间和空间上的不一致性的矛盾。目前，电化学储能技术具有低成本、高效率、环境依赖低、可移动以及可控能量输出等优势，而且电化学储能技术的探索方兴未艾，是最有前景的储能系统。

可充电电池作为一种可再生能源整合的电化学储能技术，因效率高、功率可调、应用灵活以及维护简单等特点，被认为是最有竞争力的电源设备。近年来，随着便携式电子产品日益增长的需求和车辆电动化目标的稳步推进，电化学储能的基础研究和技术开发、利用的重要性显得更加突出。在各种电化学储能系统中，锌离子电池具有安全、低成本、环保、高能量密度、循环寿命长和无记忆效应等优点，研究人员对其进行了广泛、深入及系统的研究，并被视为未来最有希望的新兴能源存储系统和电网级储能的候选者。相比于传统锂离子电池，水系锌离子电池的主要特点有：(1)高氧化还原电位-0.76V(vs SHE)保证了锌离子可以在水基电解液中进行工作；(2)电极材料价格低廉，水体系电解液不存在自燃或爆炸问题，电池器件安全性高；(3)高能量密度(5855mAh cm^-3，320Wh kg^-1)，高功率密度(12kW kg^-1)，因为Zn可以实现两个电子参与电化学反应；(4)锌负极溶解/沉积和正极Zn²⁺嵌入/脱出具有高度可逆性，长循环性能较好。以上优点奠定了水系锌离子电池的巨大应用潜力。

目前，水系锌离子电池主要问题有：(1)正极材料的种类有限，现有的正极材料在循环过程中存在溶解、相转变、不可逆副反应等问题，影响了电池的长循环容量保持率的进一步提升；(2)正极材料与Zn²⁺存在较强的静电斥力，不利于锌离子扩散，材料的倍率性能差；(3)负极锌箔在循环充放电过程中仍然会产生少量的枝晶，存在短路的风险，致使电池失效。(4)目前，对于锌离子电池工作的机理、性能提升的方法和电池的失效的理解仍然不够，需要更多、更深入的探索。因此，开发新型电极材料，探索其电化学储锌工作机理，是开发安全可靠且高性能锌离子电池的重要途径之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单的水热法制备铁掺杂焦钒酸铜材料(FCVO)的方法，以及铁掺杂焦钒酸铜材料在水系锌离子电池正极材料中的应用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种铁掺杂焦钒酸铜材料制备方法，包括以下步骤：

(1)将偏钒酸铵加入去离子水中，80±8℃加热搅拌溶解，得到淡黄色的偏钒酸铵溶液；

(2)将氯化铜加入去离子水中，室温下搅拌均匀，得到蓝色的氯化铜溶液；

(3)将氯化铁加入步骤(2)所得的氯化铜溶液中，室温下搅拌溶解，形成稳定的黄色溶液；

(4)将步骤(3)所得黄色溶液缓慢加入步骤(1)所得偏钒酸铵溶液中，保持80±8℃加热搅拌均匀，得到混合液体；