[发明专利]一种富含缺陷的二硫化钒及其制备方法以及其作为正极材料在水系锌离子电池中的应用

说明书

本发明属于水系锌离子电池技术领域，公开了一种富含缺陷的二硫化钒及其制备方法以及其作为正极材料在水系锌离子电池中的应用，首先是富含缺陷的层状过渡金属二硫属化合物VS₂粉体材料的制备，主要制备过程包括简单的一步水热法及后续高压下原位电化学活化，获得的VS₂具有较为独特的结构，用作水系锌离子电池正极材料时，表现出极高的比容量及优异的倍率性能；接着通过简单方便的外加弱磁场方法抑制了锌枝晶的生长，大大提高了VS₂/Zn电池的循环寿命，在水系锌离子电池领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池技术领域，具体涉及一种富含缺陷的二硫化钒及其制备方法以及其作为正极材料在水系锌离子电池中的应用。

背景技术

众所周知，能源与环境是人类社会可持续发展的焦点。化石能源的使用所带来的环境问题日益突出，急需发展大规模储能技术来高效使用可再生能源。其中，对电化学储能技术，特别是对大容量、快充等高性能电化学储能器件的需求在不断地增长。在过去的几十年里，锂离子电池因其高能量密度而逐渐应用于人们生活的各个领域，如3C电子、电动汽车等。然而，许多关键因素制约了其大规模应用，比如有毒有机电解质的使用、严重的安全问题和锂资源有限等等。相比之下，水系电池由于其低成本、高安全性和优良的离子导电性而受到越来越多的关注。其中，水系锌离子电池由于金属锌的理论容量高达825mAh g^-1而成为研究的热点。不幸的是，由于通常水系锌离子电池正极材料导电性差，充放电过程中体积变化大以及负极锌金属的腐蚀和锌枝晶的生长，导致水系锌离子电池的能量密度低，循环稳定性差。因此，高电化学性能正极材料的制备和锌枝晶的抑制是水系锌离子电池发展的关键因素。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一个目的是提供一种富含缺陷的二硫化钒及其制备方法，通过在二硫化钒(VS₂)结构中引入缺陷，从而提高VS₂的比容量。其制备方法简单、成本低廉。

一种富含缺陷的二硫化钒的制备方法，包括以下步骤：

1)将偏钒酸铵溶于水中，然后加入氨水搅拌，溶解后加入硫代乙酰胺继续搅拌得到前驱体溶液；优选的，水与氨水的体积比为(10～30)：1；偏钒酸铵与硫代乙酰胺的物质的量之比为(1～2)：(10～15)。优选的，水与氨水的体积比可为10：1、15:1、20:1 或30：1；偏钒酸铵与硫代乙酰胺的物质的量之比可为2:15或1:10。

2)将前驱体溶液移至聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中进行水热反应；所述水热反应的温度为180℃～200℃，反应时间为8～12h。优选的，水热反应的温度为180℃、190℃或200℃，反应时间为8h、10h或12h。

3)待反应结束冷却至室温后，所得产物使用去离子水和无水乙醇各清洗2～5次，然后离心分离；优选的，离心转速为5000～10000r/min；

4)将离心所得的产物置于真空烘箱中，在50～70℃温度中干燥12～24h，得到二硫化钒；

5)以二硫化钒为正极活性材料制备正极、以浓度为3～4M的三氟甲烷磺酸锌为电解液、以金属锌为负极组装扣式锌离子电池；其中：三氟甲烷磺酸锌是大阴离子结构的电解液，具备良好的锌离子沉积、析出动力学，3～4M的浓度范围属于较高浓度电解液，使电解液状态达到盐包水，盐包水的电解液可以承受得了高的电压窗口避免水的分解以及过多的副反应。

6)将扣式锌离子电池在电压窗口下进行原位电化学活化，获得富含缺陷的VS₂。优选的，所述电压窗口为0.2～1.5V、0.2～1.7V、0.2～1.9V、0.2～2.1V或0.2～2.3V。