本發(fā)明屬于鋅離子電池,具體涉及一種氮摻雜二氧化釩納米纖維及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù):
1、二氧化釩(vo2)是由扭曲的[vo6]八面體形成的,八面體通過共享角和棱形成隧道狀的骨架,其中沿著b軸方向為0.82nm2,a軸方向為0.34nm2,c軸方向為0.5nm2。這種大的隧道結(jié)構(gòu)有利于鋅離子的快速插層和脫出,具有良好的倍率性能。二氧化釩被認(rèn)為是水系鋅離子電池最有發(fā)展前景的正極材料之一,然而vo2材料電導(dǎo)率低和在充放電循環(huán)過程中vo2的溶解問題導(dǎo)致水系鋅離子電池倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性較差,限制了zn/vo2水系電池的商業(yè)化應(yīng)用。
2、cn112233911b公開了一種二氧化釩納米碳纖維復(fù)合材料及其制備方法和用途,制備方法包括如下步驟:a、乙二醇氧釩溶液的制備:將偏釩酸銨:乙二醇混合,反應(yīng)生成乙二醇氧釩,備用;b、紡絲液的制備:取聚丙烯腈溶液與乙二醇氧釩溶液混合均勻,然后將混合液稀釋至聚丙烯腈和乙二醇氧釩的總含量為5~20%v/v;c、用紡絲液進(jìn)行靜電紡絲;d、復(fù)合材料的制備。該方法制備二氧化釩納米碳纖維復(fù)合材料較復(fù)雜,成本較高。
3、文獻(xiàn)ultrafast?zn2+intercalation?and?deintercalation?in?vanadiumdioxide.和文獻(xiàn)functional?fiber?mats?with?tunable?diffuse?reflectance?composedofelectrospun?vo2/pvp?composite?fibers.中均公開了vo2納米纖維的制備方法。但以上制備vo2納米纖維的現(xiàn)有技術(shù)中,工藝路線長,制備成本較高,效率低,且制備得到的材料電化學(xué)性能差。因此,現(xiàn)在亟需研究一種可提高材料電化學(xué)性能的低成本、高效率的二氧化釩納米纖維制備方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有二氧化釩納米纖維制備方法成本高、效率低,所制得的材料電化學(xué)性能較差的問題。
2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
3、第一方面,本發(fā)明提供一種氮摻雜二氧化釩納米纖維的制備方法,包括如下步驟:
4、a.向水中加入釩源和還原劑,加熱攪拌反應(yīng)至釩源全部溶解,生成藍(lán)色溶液;
5、b.向藍(lán)色溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮,攪拌溶解,得到紡絲液;
6、c.將紡絲液進(jìn)行靜電紡絲,完成后干燥得到納米纖維前驅(qū)體;
7、d.將納米纖維前驅(qū)體置于管式爐中在惰性氣體氛圍下煅燒,控制升溫速率為5~10℃/min,煅燒溫度為550~600℃,得到氮摻雜二氧化釩納米纖維。
8、上述步驟a中,所述釩源為五氧化二釩、偏釩酸銨和多釩酸銨中的至少一種;所述還原劑為草酸、檸檬酸和酒石酸中的至少一種。
9、上述步驟a中,控制藍(lán)色溶液中釩濃度為0.1~0.5mol/l,還原劑與釩源的摩爾比為2~4:1。
10、上述步驟a中,加熱至90~100℃攪拌反應(yīng)2~4h。
11、上述步驟b中,紡絲液中聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5~20%。
12、上述步驟c中,控制靜電紡絲機(jī)電壓為20~25kv,進(jìn)料速率為1~2ml/h,室內(nèi)溫度20~35℃,濕度30~50%。
13、上述步驟c中,干燥為置于真空干燥箱中60℃干燥12~24h。
14、上述步驟d中,惰性氣體為n2或者ar,煅燒時間1~4h。
15、第二方面,本發(fā)明提供一種氮摻雜二氧化釩納米纖維,直徑為50~400nm,由上述的制備方法制得。
16、第三方面,本發(fā)明提供上述氮摻雜二氧化釩納米纖維在水系鋅離子電池中的應(yīng)用:將氮摻雜二氧化釩納米纖維、乙炔黑和聚偏氟乙烯按質(zhì)量比8:1:1混合作為正極,0.2mm商業(yè)鋅箔為負(fù)極,3m?zn(cf3so3)2為電解液,組裝成電池。
17、本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種n摻雜的vo2納米纖維電極材料及其制備方法,通過優(yōu)化制備工藝,實現(xiàn)了低成本、高效率的二氧化釩納米纖維生產(chǎn),顯著提升了vo2的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性,大幅提升了vo2基水系鋅離子電池電的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,具有較好的推廣應(yīng)用前景。
18、本發(fā)明的氮摻雜二氧化釩納米纖維,具有高比表面積、優(yōu)異的電導(dǎo)率和機(jī)械柔韌性,可以有效提升水系鋅離子電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,在5a/g電流密度下,比容量可達(dá)到178mah/g,經(jīng)過3000圈循環(huán)后,容量保持率高達(dá)93.6%。
1.氮摻雜二氧化釩納米纖維的制備方法,其特征在于,包括如下步驟:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜二氧化釩納米纖維的制備方法,其特征在于:步驟a中,所述釩源為五氧化二釩、偏釩酸銨和多釩酸銨中的至少一種;所述還原劑為草酸、檸檬酸和酒石酸中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜二氧化釩納米纖維的制備方法,其特征在于:步驟a中,控制藍(lán)色溶液中釩濃度為0.1~0.5mol/l,還原劑與釩源的摩爾比為2~4:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜二氧化釩納米纖維的制備方法,其特征在于:步驟a中,加熱至90~100℃攪拌反應(yīng)2~4h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜二氧化釩納米纖維的制備方法,其特征在于:步驟b中,紡絲液中聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5~20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜二氧化釩納米纖維的制備方法,其特征在于:步驟c中,控制靜電紡絲機(jī)電壓為20~25kv,進(jìn)料速率為1~2ml/h,室內(nèi)溫度20~35℃,濕度30~50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜二氧化釩納米纖維的制備方法,其特征在于:步驟c中,干燥為置于真空干燥箱中60℃干燥12~24h。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜二氧化釩納米纖維的制備方法,其特征在于:步驟d中,惰性氣體為n2或者ar,煅燒時間1~4h。
9.氮摻雜二氧化釩納米纖維,其特征在于:直徑為50~400nm,由權(quán)利要求1~8任一項所述的制備方法制得。
10.氮摻雜二氧化釩納米纖維在水系鋅離子電池中的應(yīng)用,其特征在于:由權(quán)利要求9所述的氮摻雜二氧化釩納米纖維、乙炔黑和聚偏氟乙烯按質(zhì)量比8:1:1混合作為正極,0.2mm商業(yè)鋅箔為負(fù)極,3m?zn(cf3so3)2為電解液,組裝成電池。