[发明专利]一种二维层状结构V2C电极材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学材料技术领域，涉及一种二维层状结构V₂C电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

超级电容器作为一种新型贮能元件具有高功率、长寿命等独特优点，在消费电子产品、UPS(不间断电源系统)以及电动车用的混合电源系统等方面具有广阔的应用前景。超级电容器根据储能机理的不同，分为炭基超级电容器(双电层电容器)和以金属氧化物及导电聚合物为电极材料的准电容电容器。炭基超级电容器能量密度较低，为3～7Wh/kg。提高超级电容器的能量密度是亟待解决的科学难题，为了提高其能量密度，人们开始研究非对称超级电容器。非对称超级电容器将类似电池的法拉第电极(作为能量源)和电容电极(作为功率源)结合起来，从而可以提高电容器的能量密度。

常见的非对称超级电容器以氧化物或嵌入化合物为正极，炭电极为负极；或者，正极为炭电极，负极为氧化物或嵌入化合物；此外，还有正极为氧化物或嵌入化合物，负极为氧化物(MnO₂，α-Fe₂O₃)方面的报道。

超级电容器的准电容有三种机理：在电极表面离子的单层吸附，如金属的欠电位沉积；表面或近表面的可逆氧化还原反应；以及近年人们提出的在不引起相变情况下的离子嵌入。第三种机理产生的准电容被定义为嵌入准电容，它要求材料有一个晶体网络，能提供二维的传输路径，并且在嵌入过程中无相变。通常这种结构为层状结构，离子能嵌入到层间间隙(范德华间隙)。目前，基于嵌入准电容的电极材料有正交晶系Nb₂O₅(T-Nb₂O₅)、α-MoO₃，它们均为正极材料。

由此可见，以嵌入准电容为负极的非对称超级电容器在国内外尚无相关的报道，由于准电容具有高能量密度的优点，因此，预期以嵌入准电容为负极的非对称超级电容器具有比常规非对称超级电容器更高的能量密度。然而，目前有关制备二维层状结构V₂C电极材料的技术信息现有报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作步骤简单，适用于扩大化生产的二维层状结构V₂C电极材料及其制备方法与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种二维层状结构V₂C电极材料的制备方法，该方法首先通过高温固相法制备二维碳化物晶体V₂AlC，再采用HF溶液浸蚀V₂AlC，将二维碳化物晶体V₂AlC中的Al原子层刻蚀掉，即制得所述的二维层状结构V₂C电极材料。

一种二维层状结构V₂C电极材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)在惰性气体氛围中，将钒粉、铝粉及石墨粉按物质的量比为2:(1-1.5):1一起加入到球磨罐中，球磨混合3-6h，制得前驱体混料；

(2)将前驱体混料转移至管式炉中，通入惰性气体，管式炉以4-6℃/min升温至1300-1600℃，恒温处理2-5h，即制得二维碳化物晶体V₂AlC；

(3)将二维碳化物晶体V₂AlC置于HF溶液中，浸蚀60-120h，过滤，洗涤，干燥，即制得所述的二维层状结构V₂C电极材料。

所述的球磨罐中的球料比为(1-2)：1。

优选地，所述的管式炉以5℃/min升温至1500℃，恒温处理4h。

所述的HF溶液的质量分数为10-30％。

优选地所述的二维碳化物晶体V₂AlC在HF溶液中的浸蚀时间为90h。

所述的钒粉、铝粉及石墨粉的纯度均为分析纯。

所述的石墨粉为人造石墨粉。

一种采用所述的方法制备得到的二维层状结构V₂C电极材料。

所述的二维层状结构V₂C电极材料用于制备超级电容器。

本发明制得的V₂C电极材料在进行电化学性能测试时，以V₂C为研究电极，以3×5cm²大小的铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，测试系统为CHI660C电化学工作站。电位区间为-1.05～-0.55V。电解液为1M的LiOH、NaOH和KOH水溶液。