[发明专利]聚多巴胺衍生碳包覆钒酸钙纳米片复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了聚多巴胺衍生碳包覆钒酸钙纳米片复合材料的制备方法，属于锂离子电池和钠离子电池电极材料技术领域，本发明的目的是解决三维纳米CaV₄O₉的首圈库仑效率较低，在较长的充放电循环过程中稳定性不佳的问题，本发明的制备方法是：先用氯化钙和乙酰丙酮氧钒水热生成钒酸钙，然后配置Tris溶液，将钒酸钙加入盐酸多巴胺和Tris的混合溶液进行聚合包覆，最后恒温煅烧得到氮掺杂碳包覆CaV₄O₉的复合材料。此复合过程不仅方法简单，形成复合结构，增大了比表面积和孔径分布，有利于提高电化学性能，而且环境友好，可适应大规模生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池和钠离子电池电极材料技术领域，涉及一种聚多巴胺衍生碳包覆钒酸钙纳米片(CaV₄O₉@PDA-C)复合材料的制备方法在锂离子电池和钠离子电池中的应用。具体涉及到以氮掺杂碳复合钒酸钙作为锂离子电池和钠离子电池的电极材料。

背景技术

使用化石燃料(如煤，石油和天然气等)等不可再生资源进行能源相关的生产活动已在全球范围内造成了严重的经济和环境问题。在日益突出的能源危机下，如何寻找和利用新型能源尤其是可再生能源成为了全人类面临的一大挑战。太阳能、风能等是目前应用最广和装机容量最大的新能源供给模式，但这些能源普遍具有间歇性，应用时需辅以高性能的储能设备和能源转换装置。其中，超级电容器、燃料电池以及以锂离子电池和钠离子电池等为代表的二次电池等电化学储能设备是研究的热点，尤其是可充电电池，其储能方式灵活性、使用便利、能量转化率最高，是用化学能源来储存电力的最佳选择。其中，锂离子电池所占份额最高。锂离子电池(LIB)的突出优点是能量密度高、环境友好、高效洁能。目前，锂离子电池已广泛用于便携式电子产品和电动汽车中。然而，锂在自然界储量有限，尤其是我国，锂资源极为稀缺。钠的物理性质和化学性质与锂有很大的相似，钠的理论比容量为1166mAh/g，更重要的是金属钠在地球上的资源储量相当丰富。因此，钠离子电池(NIB)有望成为锂离子电池的替代者。除此之外，锂和钠都具有合适的氧化还原电位，且LIB和NIB都具有相同的“摇椅式”反应机制，这意味着在LIB中应用的材料部分也可以应用于NIB中。然而，无论是LIB还是NIB在循环过程中，金属锂或钠作为阳极都具有枝晶的问题，在重复的充放电循环过程中有不可控制的枝晶生长，引起电池安全性问题。并且钠离子电池有较差的循环稳定性和低的比容量。因此，无论是对LIB还是对NIB，开发高性能电极材料是关键。

在众多的电极材料中，钒氧化物独具优势，其理论容量高(容量超过300mAh/g)，来源丰富，是一种很有吸引力的电极材料。钒氧化物种类繁多，其中以钒酸钙(CaV₄O₉)最具代表性。CaV₄O₉是一种新的无机层状结构材料，在锂离子电池和钠离子电池中均有活性，而且，研究发现三维的CaV₄O₉纳米材料具有更高的面积容量。尤其是在纳米尺寸下，较大的比表面积和独特的片状结构，使得CaV₄O₉在充放电时体积变化很小，有效解决了CaV₄O₉纳米材料循环期间的体积膨胀问题，大大改善电化学性能，而且在高质量负载下表现出良好的循环稳定性。然而美中不足的是三维纳米CaV₄O₉的首圈库仑效率较低，在较长的充放电循环过程中稳定性仍待改善。

发明内容

为了解决这一问题，本发明通过机械搅拌及高温煅烧的方法在三维CaV₄O₉纳米材料表面包覆一层多聚巴胺衍生碳(PDA-C)，高温煅烧后得到一种氮掺杂碳的复合结构，本发明所采用的技术方案具体如下：

聚多巴胺衍生碳包覆钒酸钙纳米片复合材料的制备方法，具体步骤如下：

一、水热合成法制备CaV₄O₉，步骤如下：