[发明专利]一种水系锌离子电池用有机离子掺杂钒氧化物正极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种水系锌离子电池用有机离子掺杂钒氧化物正极材料及其制备方法与应用，所述有机离子掺杂的钒氧化物的结构式为[N(CH₃)₄]V₈O₂₀·nH₂O，其中n为1‑3，其微观形貌为纳米片、纳米带，或纳米片与纳米带混合。上述钒氧化物的制备方法，包括步骤如下：将五氧化二钒、氯化锌和四甲基氢氧化铵溶液混合，加入去离子水、冰乙酸，得到混合液，将混合液于150‑180℃下水热反应40‑70h；经离心、洗涤、干燥，得到有机离子掺杂的钒氧化物。本发明制备的正极材料具有较高的比容量、优异的循化稳定性和倍率性能。该材料合成条件温和，工艺简单，对设备要求低，可大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种水系锌离子电池用有机离子掺杂钒氧化物正极材料及其制备方法与应用，属于锌离子电池技术领域。

背景技术

可充电锂离子电池由于其高能量密度和循环稳定性而被广泛应用，占据了电池行业的主导地位。然而，由于锂的成本高以及采用可燃的有机电解质，存在较高的安全隐患，因此并不适合大规模的储能应用。随着风能，太阳能的广泛开发，这就急需一种可以大规模应用的间歇式储能设备。因此，低成本、高安全性，环境友好，制备工艺简单的可充电水系锌电池就引起了人们的广泛关注。

目前，水系锌离子电池的正极材料主要为锰基材料、普鲁士蓝类似物及钒基材料。锰基材料虽然有较高的工作电压，但由于导电性差，结构不稳定，具有较差的循环性能。普鲁士蓝类似物的容量通常不足100mAh/g。钒基材料因其成本低，价态多，具有利于离子脱/嵌的结构，因此获得了广泛的关注。虽然钒基材料具有较高的比容量，但在实际应用中也面临着较大的挑战，例如较低的平均工作电压，较差的循环稳定性等。人们已尝试通过多种方式来提高钒基材料的电化学性能，例如引入金属离子，调控结构水，选择不同的导电添加剂、优化电解质等，但是所得材料仍存在循环性能差，库伦效率低，制备方法复杂等问题。

有机离子具有比金属离子更大的直径，将有机离子引入钒氧化物，能够扩展层间距，易于离子扩散，有助于提升材料的循环性能。目前，将有机离子引入水系锌离子电池正极材料还未见报道。Thomas Chirayil等人提供了一种钒氧化物的合成方法，将五氧化二钒，氢氧化锂，质量分数为25％的四甲基氢氧化铵溶液以1：1：2的摩尔比混合，加入乙酸调节pH分别至2、3、4、7，在185℃下反应3天，制得一系列四甲基铵根离子掺杂的钒氧化物，分别为：[N(CH₃)₄]_0.17H⁺_0.1V₂O₅、[N(CH₃)₄]V₈O₂₀、[N(CH₃)₄]V₄O₁₀、[N(CH₃)₄]V₃O₇。但是上述方法存在反应温度高，时间较长，目标产物产量低，不可大规模生产等缺点。

目前，将有机离子掺杂钒氧化物作为水系锌离子电池正极材料还未见报道。因而开发一种反应条件温和，反应时间短的方法来大量制备具有高比容量、长循环寿命的有机离子掺杂钒氧化物对于实现其在水系锌离子电池中的应用具有极其重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种水系锌离子电池用有机离子掺杂钒氧化物正极材料及其制备方法与应用，所得钒氧化物作为正极活性材料用于水系锌离子电池，所构建的水系锌离子电池具有高比容量，长循环稳定性的优点。