[发明专利]含有结晶水的纳米线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，具体涉及含有结晶水的纳米线纳米材料及其制备方法，该材料可作为锌离子电池纳米正极活性材料。

背景技术

能源危机和环境问题是21世纪最为热门的社会话题。据报道，随着全球人口数量的剧增，到2050年全球对能源的需求量可达28TW，这相当于130000TWh或者每年消耗1010吨石油所产生的能量。化石能源的紧缺及其带来的环境问题，使新型可再生能源的开发成为一个亟待解决的的全球性问题。目前人们已对风能、太阳能、潮汐能、生物能和地热等可再生能源进行了大量的发掘与利用，但可再生能源的无规律性和不连续性等特点，使得开发和利用大规模能源存储系统成为实现新能源技术的基础和核心，因此开发可靠的环境友好型能量存储系统已成为当前能源存储领域的热点与前沿。其中电化学能源存储系统因具备较高的存储效率、灵活的功率以及较低的维护费用等优点而备受关注。

水系锌离子电池，是近年来发展起来的一种新型二次水系电池，由于其离子/电子电导率高、成本低、能量密度高、高功率充放电高效安全和制备工艺简单的特点成为理想的绿色电池体系。同时锌本身具有资源丰富、无毒性、易处理性、在水溶液中能够稳定存在、有较高的理论容量(825mAh/g和5855mAh/cm³)等特点。相对于其他有机体系和水系离子电池具有明显的优势。目前，主要有普鲁士蓝、金属氧化物、聚阴离子与碳复合材料被用作其电极材料。随着研究的深入，逐渐发现二氧化锰、普鲁士蓝等电极材料具有成本低，而且在水系锌离子电池中体现了很好的性能，是一类较好的锌离子电极材料。但是目前大多数水系锌离子电池的正极材料的循环性能差、库伦效率较低，这极大限制了锌离子的商业化应用。因此，亟待开发新的水系锌离子正极材料以提高锌离子的利用率以及库伦效率和循环性能。钒系氧化物电极材料因其具有资源丰富、价格低廉的特点，成为二次电池正极材料的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有结晶水的纳米线纳米材料及制备方法，其制备过程简单，能耗较低，所得的Na₂V₆O₁₆·1.63H₂O纳米线纳米材料具有良好的电化学性能，解决钒系锌离子正极材料导电性太差、容量快速衰减等缺点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：含有结晶水的纳米线纳米材料，其化学式为Na₂V₆O₁₆·1.63H₂O，其纳米线直径为20-80nm，纳米线长度10-80μm。

含有结晶水的纳米线纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将五氧化二钒粉末溶解分散在去离子水中，加入氢氧化钠，室温下搅拌均匀；

2)将步骤1)所得溶液转入反应容器中水热反应，取出，自然冷却至室温；

3)用无水乙醇反复洗涤步骤2)所得产物，烘干即得到Na₂V₆O₁₆·1.63H₂O纳米线。

按上述方案，步骤1)所述的五氧化二钒粉末为1-3mmol；去离子水为20-80mL；氢氧化钠为1-3mmol。

按上述方案，步骤2)所述的水热反应温度为140-200℃，反应时间为1～24小时。

所述的含有结晶水的纳米线纳米材料作为锌离子正极活性材料的应用。

本发明中，采用一步水热法，通过控制溶液的碱性条件，液相合成制备Na₂V₆O₁₆·1.63H₂O纳米线材料。结果显示，该方法制备的纳米材料形貌均一。纳米线结构可以有效缩短电解液离子扩散距离，提供连续的离子转移通道。而电极材料本身含有的结晶水可以在一定程度上减少活性物质的溶解。均匀的纳米线结构可以大幅提高材料的比表面积，增加电解液与活性物质接触的概率，进而提高材料的容量。因此，本发明提供的Na₂V₆O₁₆·1.63H₂O纳米线材料制备工艺可以大幅提高锌离子电池电化学的稳定性，提高电极材料在大电流条件的性能，解决钒系锌离子正极材料导电性太差、容量快速衰减等缺点,使其高容量很好的发挥出来，在锌离子电池应用领域有巨大的发展潜力。