[发明专利]B相二氧化钒自缓冲混合纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种B相二氧化钒自缓冲混合纳米材料及其制备方法，该材料可作为高功率长寿命锂离子电池正极活性材料。

背景技术

锂离子电池作为一种绿色化学存储器件，已广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等便携设备，并被作为动力移动电源的最佳选择。虽然锂离子电池的能量密度较高，但是较低的锂离子与电子扩散速率导致其倍率特性较差、功率密度较低。倍率特性较差即电池所需的充电时间较长，这限制其便携设备中的进一步发展；较低的功率密度则限制了锂离子电池在混合动力汽车及纯电动汽车中的应用；同时锂离子电池电极材料在充放电过程中，电极材料膨胀收缩造成内部应力，使得材料结构破坏，失去活性，导致循环寿命缩短，限制其长期使用。因此，研究基于新型纳米电极材料的大容量、高功率、长寿命、低成本锂离子电池是当前低碳经济时代锂离子电池研究的前沿和热点之一。纳米材料具有高的比表面积以及更好的活性，作为锂离子电池电极材料时与电解液接触面积大、锂离子脱嵌距离短，能有效提高材料的电活性，作为高功率锂离子电池电极材料时具有显著的优势。

作为典型的层状金属氧化物，钒氧化物纳米材料体系因其多种氧化态和配位多面体的存在使其拥有能够可逆地嵌入脱出锂离子，而被视为具有潜力的锂离子电池材料。其中，VO₂(B)由两种不同的[VO₆]八面体构成，形成连续的三维锂离子扩散通道，并由于稳定的层间结构为锂离子在快速扩散提供便利。近年来，纳米钒氧化物材料作为锂离子电池正极材料已被广泛研究，但是具有缓冲混合纳米结构的VO₂(B)电极材料仍未报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种B相二氧化钒自缓冲混合纳米材料及其制备方法，其工艺简单，所得的B相二氧化钒自缓冲混合纳米材料具有优良电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：B相二氧化钒自缓冲混合纳米材料，其由B相二氧化钒纳米卷、B相二氧化钒纳米带和B相二氧化钒纳米线构成；其中B相二氧化钒纳米卷由B相二氧化钒纳米片自卷曲而成；B相二氧化钒纳米带长3~8微米、宽1~2微米、厚25~35纳米；B相二氧化钒纳米线长3~5微米，宽40~100纳米。

按上述方案，B相二氧化钒自缓冲混合纳米材料为由下述方法制备得到的产物，包括有以下步骤：

1）量取1.2~2mmol的V₂O₅溶胶并稀释于去离子水中得到溶液；

2）向步骤1）所得溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮PVP粉末，其中每摩尔V₂O₅溶胶对应11.3g聚乙烯吡咯烷酮PVP粉末，充分搅拌；

3）向步骤2）所得溶液中加入聚乙二醇PEG400溶液，其中每摩尔V₂O₅溶胶对应40mL聚乙二醇PEG400溶液，继续搅拌；

4）将步骤3）所得溶液持续搅拌并在室温下陈化；

5）将步骤4）所得的溶液转入反应釜中，加热进行反应，取出反应釜，自然冷却至室温；

6）将步骤5）所得产物离心过滤，用去离子水和无水乙醇反复洗涤所得沉淀物，在50~65℃烘箱中烘干，得到B相二氧化钒自缓冲混合纳米材料。

按上述方案，所述的聚乙烯吡咯烷酮PVP为PVP-K17，PVP-K25或PVP-K30。

按上述方案，步骤4）所述的搅拌时间为10~40小时，陈化时间为10~40小时。

按上述方案，步骤5）所述的反应温度为160~200℃，反应时间为48~120小时。

B相二氧化钒自缓冲混合纳米材料的制备方法，包括有以下步骤：

1）量取1.2~2mmol的V₂O₅溶胶并稀释于去离子水中得到溶液；

2）向步骤1）所得溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮PVP粉末，其中每摩尔V₂O₅溶胶对应11.3g聚乙烯吡咯烷酮PVP粉末，充分搅拌；

3）向步骤2）所得溶液中加入聚乙二醇PEG400溶液，其中每摩尔V₂O₅溶胶对应40mL聚乙二醇PEG400溶液，继续搅拌；

4）将步骤3）所得溶液持续搅拌并在室温下陈化；

5）将步骤4）所得的溶液转入反应釜中，加热进行反应，取出反应釜，自然冷却至室温；