[发明专利]一种水系锌离子电池钒基正极材料的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种水系锌离子电池钒基正极材料的制备方法，包括如下步骤：1)将偏钒酸铵、2‑甲基咪唑锌盐以及无水乙醇按照质量比10:(2‑5)：(3‑10)混合均匀，搅拌得到固体产物；2)将固体产物放入磁舟置于管式炉中在空气或氮气气氛下，以1‑3℃/min的升温速率升至400‑600℃，保温1‑3h后自然冷却至室温，将所得产物研磨均匀后得到钒基氧化物电极材料。本发明以偏钒酸铵为原料制备了水系锌离子电池正极材料。该制备方法步骤简单适于大量生产，所用偏钒酸铵原料价格低廉，有望实现工业化应用。此外，经过电化学测试表明，该钒基氧化物作为正极，锌片作为负极所组成的锌离子电池在不同的电流密度下进行充放电时，均表现出优异的电化学性能。

技术领域：

本发明属于水系锌离子电池领域，具体涉及一种水系锌离子电池钒基正极材料的制备方法和应用。

背景技术：

化石燃料作为当今社会发展的主要能源，面临着资源有限、不可再生以及不当使用引发环境污染等问题。可充电电池作为一种清洁的电化学储能设备，具有充放电效率高，能量密度/功率密度高等优点，无论是便携式还是大规模固定式应用，都具有广阔的应用前景。在当今电子产品和电动汽车应用越来越广泛的背景下，高能量密度、高倍率性能、安全、低成本且长循环寿命的可充电二次电池的研发是关键技术之一。目前广泛使用的锂离子电池因其所用的有机电解液存在易燃、有毒等安全隐患，此外面临锂金属储量有限、价格昂贵的问题。而水系锌离子电池作为一种价格低廉、安全、环保的新兴储能系统引起了人们广泛关注，其锌片负极具有较高的质量比容量(819mAh/g)、高的体积比容量(5855mAh/cm³)和较低的氧化还原电位(-0.76V，相对于标准氢电极)，此外水系电解液安全环保并且便于电池的组装，大大降低了生产成本。

目前，水系锌离子电池的正极材料多种多样，如普鲁士蓝类似物(PBAs)、锰基材料、钒基材料和导电聚合物等。相对于锰基氧化物和普鲁士蓝类似物等正极材料，钒基材料往往具有较高的可逆容量，优异的倍率特性和长的循环寿命。现有发明中，申请号为CN111640921A公开了一种钒基化合物电极材料的制备方法及其在水系锌离子电池中的应用，该发明通过水热法利用钒酸铵与盐酸反应制备五氧化二钒，该方法较为复杂且产量较少，限制了其大规模的应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种水系锌离子电池钒基正极材料的制备方法及应用，用作水系锌离子电池的正极材料。该方法具有制备过程简单、产品易于实现大规模生产、生产成本低以及原料价格低的特点，此外所制备材料用作水系锌离子电池正极材料时具有优异的电化学性能。

本发明由如下技术方案实施：一种水系锌离子电池钒基正极材料的制备方法，其包括如下步骤：

1)将偏钒酸铵、2-甲基咪唑锌盐以及无水乙醇按照质量比10:(2-5)：(3-10)混合均匀，搅拌，最终得到固体产物；

2)将固体产物在空气或氮气气氛下，以1-3℃/min的升温速率升至400-600℃，保温1-3h后自然冷却至室温，将所得产物研磨均匀后得到钒基氧化物电极材料。

进一步的，步骤1)中，将偏钒酸铵、2-甲基咪唑锌盐以及无水乙醇混合后，在常温下通过磁力搅拌器搅拌或通过超声仪进行超声处理，使其分散均匀，待无水乙醇完全挥发得到固体产物。

进一步的，步骤1)中，将偏钒酸铵、2-甲基咪唑锌盐溶液以及无水乙醇混合后，通过磁力搅拌器搅拌均匀，放入反应釜置于烘箱中在180℃下反应24h，产物用无水乙醇洗涤，烘干后得到固体产物。

本发明还公开了一种水系锌离子电池钒基正极材料的应用，前述制得的钒基氧化物正极材料与导电碳粉、粘结剂按照质量比为(7-8):(1-2):1混合，乙醇为分散剂通过磁力搅拌器搅拌12-24h，将所制电极浆料均匀涂在碳纸上构建锌离子电池正极，然后将所述锌离子电池正极、玻璃纤维隔膜、水系电解液、锌片负极在空气中组装为水系锌离子电池扣式电池。