[发明专利]一种氧化钒基水系锌离子电池、性能优化方法及正极材料

说明书

本发明属于纳米材料制备技术领域，公开了一种氧化钒基水系锌离子电池、性能优化方法及正极材料，通过使用特定方法处理VO₂粉末，在纯VO₂的基础上，得到小分子耦合VO₂(M‑VO₂)，用于水系锌离子电池的正极材料，得到优于VO₂作为水系锌离子电池正极材料的循环稳定性和比容量。本发明成功提高了VO₂基水系锌离子电池的循环稳定性和比容量，为水系锌离子电池的发展带来了深远的影响。该方法较为简单、只需在制备过程中多做一步，无需复杂设备和较大功耗，工艺简单可控，对操作人员要求较低、成本较低，容易实现工业化生产。用小分子处理过的VO₂当作水系锌离子电池的正极材料比纯VO₂的循环稳定性大幅提高。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术及在新能源储能器件应用领域，具体涉及一种氧化钒基水系锌离子电池、性能优化方法及正极材料，特别是提升了循环稳定性和质量比容量性能的提升。

背景技术

锂离子电池由于其出色的能量密度和循环稳定性在过去的几十年中一直占据着非常高的市场份额，水系锌离子电池也由于优异的理论容量和高安全性而逐渐成为令人瞩目的候选者。与其他离子电池类似，制约锌离子电池性能的主要因素是正极材料。最近比较先进的锌离子电池集中在VO₂或V₂O₅基，钒基材料具有优异的电化学活性，适合锌离子的嵌入和脱出，以此来达到高的电容量和能量密度。

目前，水系锌离子二次电池的阴极材料多使用的钒氧化物，这种材料结构多不稳定，对于离子的嵌入、脱出能力较为有限，在多次的循环测试中可能出现不可逆的相变，最终导致电池的能量密度低，循环寿命差等缺点。因此开发一种提升VO₂结构稳定性、电导率、储锌离子强的VO₂具有重要的研究价值和应用前景。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：报道中通常提高钒基锌离子电池性能的方法有三种，其一是在VO₂层间预嵌入或掺杂金属离子。此方法可以增大和稳定晶体材料层间距，从而保证Zn²⁺在电池进行充放电时能够有足够的空间嵌入和脱嵌，最终达到提升稳定性的作用，但是本方法在材料制备过程中对掺杂程度不可控，工艺参数摸索难度大等技术问题；其二是将VO₂与碳纳米管，氧化石墨烯等复合，此方法可以通过增强复合材料的导电性和离子传输能力，可以实现改善电化学性能的作用，然而，这些碳材料价格昂贵，制备工艺复杂，对能源和热量消耗大；其三是原位相变自转化，即电极材料在电化学充放电时逐渐发生相变，最终形成另一种化合物充当电极材料，但是这种方法中出现的材料相变程度和过程往往不可控制。

解决以上问题及缺陷的意义为：根据前面所述三种提升电池性能的方法，解决以上问题可以控制电池成本，降低能耗，符合新能源领域发展趋势，容易让新技术新工艺实现工业化生产。本发明提供的一种氧化钒基水系锌离子电池、性能优化方法及正极材料，对电池性能提升效果明显，制备工艺简单，原料成本很低，易于量产化，综合文献报道中的不同方法对比情况，本发明无论从过程还是从结果上看，都达到了非常优异的效果。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题或缺陷，本发明的目的在于提供一种氧化钒基水系锌离子电池、性能优化方法及正极材料。利用本发明方法制备的M-VO₂，具有电导率高的近非晶态结构，在充放电过程中，非常有利于锌离子的嵌入和脱出，表现出优于VO₂的电化学性能。而且制备方法上简单，易实现工业化生产，对性能提升也非常显著。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种VO₂基水系锌离子电池的性能优化方法，具体包括如下步骤：

1、使用水热法制备出VO₂，即用V₂O₅和草酸获得前驱体溶液；