[发明专利]一种纳米薄带状水合碱土金属钒酸盐材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种纳米薄带状水合碱土金属钒酸盐材料及其制备方法和应用。本发明选用来源广泛的钒酸盐作为原料，可以有效提高溶解效率，在合成过程中，钒酸根离子先聚合形成多聚钒酸根，与碱土金属之间通过共价键方式进行结合，有助于多聚钒酸根与碱土金属离子形成纳米薄带状水合钒酸盐，纳米薄带状材料有利于充放电过程中电解液中锌离子的脱/嵌，使得水系锌离子正极材料的实际容量得到提升。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种纳米薄带状水合碱土金属钒酸盐材料及其制备方法和应用。

背景技术

电能储存日益增长的需求以及各种电子终端产品的发展，对二次电池的高效性、安全性以及低成本提出了更高的要求。水系电解液的使用大大提高了二次电池的安全性能，锌的氧化还原电位相对于标准氢电极(SHE)为-0.763V，更适合于水系电解液，并且锌金属作为负极时其能量密度达5855mAhcm^-3，具有安全、无毒、高效的特点。此外，当水系锌离子电池中采用非碱性水系电解液，可有效避免因锌枝晶和氧化锌的形成而导致的电池容量衰减、库伦效率下降等缺陷。然而，开发合适的水系锌离子电池正极材料仍然是一个很大的挑战。

由于钒的氧化态及其氧化还原性能各不相同，近年来人们对钒基化合物尤其是钒酸盐作为二次电池正极材料的兴趣日益浓厚。

水合V₂O₅由于水分子的掺入，使层状结构的V₂O₅层间间距增加，利于Zn²⁺插层，V₂O₅表现出良好的快充和循环特性。虽然并不是所有的锌离子在充电后都能脱出，但在放电/充电过程中，剩余的锌离子可以起到层间柱的作用，保持层间结构的稳定(Hu P,Yan M,ZhuT,et al.Zn/V₂O₅ aqueous hybrid-ion battery with high voltage platform and longcycle life[J].ACS applied materialsinterfaces,2017,9(49):42717-42722.)。中国专利CN106784777A(公开日为2017年05月31日)以V₂O₅为钒源、氢氧化钙为钙源、使用丙三醇-水混合液为溶剂，在加入双氧水的环境中，经水热、焙烧等步骤得到CaV₄O₉，使其作为正极材料应用于水系锌离子电池中，其在100mA g^-1的电流密度下比容量为330mAhg^-1；中国专利CN110474044A(公开日为2019年11月19日)以V₂O₅为钒源，水溶性钙盐、锰盐为金属离子源、采用乙酸为pH调节剂、在180℃、反应72h的条件下，得到的(Ca,Mn)_∑＝1V₈O₂₀·nH₂O作为水系锌离子正极材料，在100mAg^-1的电流密度下比容量为350mAhg^-1。CaV₆O₁₆·3H₂O、Na_0.33V₂O₅等钒酸盐材料也被应用于水系锌离子电池正极材料，并表现出良好的电化学性能。

目前，虽然钒酸盐材料在水系锌离子中的应用被逐渐开发，但是现有技术中，其作为水系锌离子正极材料其比容量有待提高，且均选用V₂O₅作为原料，V₂O₅在溶解的时候会用到有机溶剂或双氧水，合成方法仍有待简化。

发明内容