一种碳插层V2O3纳米材料、其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种碳插层V2O3纳米材料的制备方法和应用，包括以下步骤：(1)将五氧化二钒粉末加入有机胺液体中，搅拌混合均匀；(2)将混合液转移至反应釜进行水热反应；(3)将得到的杂化前驱体干燥后，放入炉子中，并通入惰性气体进行碳化，得到V2O3/C杂化纳米材料。本发明专利技术制备的V2O3/C杂化纳米材料形貌均一，并且碳层能有效的分散于材料内部纳米基质。该材料应用于锂离子电池和钠离子电池负极时，能极大地提高金属氧化物作电极材料时的倍率性能，提高电池的体积能量密度，具有较大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种碳插层V2O3纳米材料、其制备方法和应用
本专利技术属于新能源以及电化学领域，具体而言，涉及碳插层V2O3纳米带、其制备方法及其在锂离子电池和钠离子电池负极材料中的应用。
技术介绍
随着传统能源的枯竭和环境污染的日益恶化，人类对清洁能源和可再生能源的需求日益增加。新能源研究领域因此引起了国内外学者的极大关注。而电化学储能作为一种清洁无污染的储能技术被广泛研究。锂离子电池已经成功商业化，其具有重量轻，寿命长，比能量密度和比功率密度高，无污染，无记忆效应等诸多优点，被广泛应用于手机电脑相机等数码设备以及电动车领域。但是，锂离子电池也有劣势，因为锂不是自然储量丰富的元素，而钠在地表储量丰富，开发成本低，因此钠离子电池的研究逐渐兴起。电极材料对于锂离子电池和钠离子电池的性能有很大的影响。在商业锂离子电池中，正极材料一般是具有较高氧化还原电位的含锂材料，而石墨是常用的负极材料，因其生产成本低，操作电压低和寿命长等优点被广泛应用。但是，商业石墨负极理论容量较低，仅为372mAhg-1，导致较差的电池性能。所以开发出具有较高容量的电池负极材料是非常有必要的。近来，纳米结构的氧化钒在能量存储和转化领域引起了强烈关注，例如V2O5,V2O3,VO2等。值的注意的是，低价态的V2O3毒性较低，作为常见的锂离子电池负极材料，它的高理论储锂容量(1070mAhg-1)是一大亮点。但是，纯的三氧化二钒导电性不佳而导致材料利用率受限，目前碳包覆的V2O3纳米结构已经被成功制备，但是这种材料仅仅在表面能接触到碳而内部的纳米基质却不能与导电性良好的碳层接触，不能充分发挥材料的高性能。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种碳插层V2O3纳米带、其制备方法及其在锂离子电池和钠离子电池负极材料中的应用，其目的在于通过制备得到一种碳插层的V2O3纳米材料，该纳米材料不仅在表面能接触到碳而内部的纳米基质却不能与导电性良好的碳层接触，由此解决现在技术的碳包覆V2O3纳米材料应用于锂离子电池和钠离子电池负极材料时循环寿命低、能量密度低和倍率性能差的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种碳插层V2O3纳米材料，所述纳米材料包括V2O3纳米带，所述纳米带长度为10-20微米，宽度为0.5-2微米，厚度为40-90纳米，所述纳米带中有碳插层，所述纳米材料中V2O3的质量百分数为75.5-85.5％，所述碳层中含有氮元素。优选地，所述纳米材料应用于锂离子电池负极材料时，在1A/g的电流密度下，循环200圈，具有200-255mAh/g的容量。优选地，所述纳米材料应用于钠离子电池负极材料时，500mA/g的电流密度下循环200圈，具有100-144mAh/g的容量。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种碳插层V2O3纳米材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将五氧化二钒和有机胺液体加入到水中，混合均匀得到混合液，将置于反应釜进行水热反应，得到杂化前驱体；其中所述混合液中五氧化二钒的浓度为0.02-0.04g/mL；(2)将步骤(1)得到的杂化前驱体干燥后，通入惰性气体进行碳化，得到碳插层V2O3纳米材料。优选地，步骤(1)中所述的有机胺为3-苯基丙胺、乙二胺、苯胺或辛胺中的一种或多种。优选地，步骤(1)所述水热反应温度为180-200℃，所述水热反应时间为40-48小时。优选地，步骤(2)所述惰性气体为氮气或者氩气。优选地，步骤(2)所述惰性气体为氩气。优选地，步骤(2)所述碳化为分步碳化，先在惰性气氛中在400-450℃退火1～6小时，然后在600～750℃退火3～4小时。优选地，步骤(2)中所述碳化时的升温速率为3℃/min～20℃/min。优选地，步骤(2)中所述碳化时的升温速率为3℃/min～5℃/min。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的碳插层V2O3纳米材料的应用，应用于锂离子或钠离子负极材料。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。(1)现有技术已经成功制备碳包覆的V2O3纳米结构，但是这种材料仅仅在表面能接触到碳而内部的纳米基质却不能与导电性良好的碳层接触，不能充分发挥材料的高性能。本专利技术制备的碳插层V2O3纳米材料能得到内层分布的碳，而层间的空间同时能够在充放电的过程中容纳更多的电解液离子，使得电解液充分浸润；(2)通过在氩气中退火，将有机物碳化，能得到氮掺杂的碳和无机材料的复合结构。通过这种方式，能够增强层间电子转移、降低电荷转移电阻从而提高电池倍率性能；(3)碳插层V2O3纳米材料内层的碳层作为弹性区域可以有效地缓解离子嵌入和脱出过程中的体积变化，提高电池的循环稳定性能。附图说明图1是本专利技术实施例中碳插层V2O3纳米材料的制备的工艺流程图；图2是本专利技术实施例1的制备工艺得到的VOx/3-苯基丙胺前驱体的SEM图；图3是本专利技术实施例1的制备工艺得到的VOx/3-苯基丙胺前驱体的XRD图；图4是本专利技术实施例1的制备工艺得到的碳插层V2O3纳米材料的SEM图；图5是本专利技术实施例1的制备工艺得到的碳插层V2O3纳米材料的XRD图；图6是本专利技术实施例1的制备工艺得到的碳插层V2O3纳米材料的拉曼光谱图；图7是本专利技术实施例1的制备工艺得到的碳插层V2O3纳米材料在氢氧化钾溶液中处理除去三氧化二钒得到的碳片的TEM图；图8是本专利技术实施例1的制备工艺得到的碳插层V2O3纳米材料在氢氧化钾溶液中处理除去三氧化二钒得到的碳片的EDS图(对应于图7中的TEM图)；图9是本专利技术实施例1的制备工艺得到的碳插层V2O3纳米材料电极组装的锂离子电池的循环性能图；图10是本专利技术实施例1的制备工艺得到的碳插层V2O3纳米材料电极组装的锂离子电池的倍率性能图；图11是本专利技术实施例1的制备工艺得到的碳插层V2O3纳米材料电极组装的钠离子电池的循环性能图；图12是本专利技术实施例1的制备工艺得到的碳插层V2O3纳米材料电极组装的钠离子电池的倍率性能图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供的碳插层V2O3纳米材料为带状，纳米带长度为10-20微米，宽度为0.5-2微米，厚度为40-90纳米，纳米带中有碳插层，碳层中含有氮元素，该纳米材料中V2O3的质量百分数为75.5-85.5％，余量为C-N层中的碳元素和氮元素。其应用于锂离子电池负极材料时，在1A/g的电流密度下，循环200圈，具有200-255mAh/g的容量；应用于钠离子电池负极材料时，500mA/g的电流密度下循环200圈，具有100-144mAh/g的容量。该碳插层V2O3纳米材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将五氧化二钒和有机胺液体加入到水中，混合均匀得到混合液，将置于反应釜进行水热反应，得到杂化前驱体；其中所述混合液中五氧化二钒的浓度为0.02-0.04g/mL；(2)将步骤(1)得到的杂化前驱体干燥后，通入惰性气体进行碳化，得到碳插层V2O3纳米材料。其中步骤(1)中所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳插层V

【技术特征摘要】
1.一种碳插层V2O3纳米材料，其特征在于，所述纳米材料包括V2O3纳米带，所述纳米带长度为10-20微米，宽度为0.5-2微米，厚度为40-90纳米，所述纳米带中有碳插层，所述纳米材料中V2O3的质量百分数为75.5-85.5％，所述碳层中含有氮元素。2.如权利要求1所述的纳米材料，其特征在于，所述纳米材料应用于锂离子电池负极材料时，在1A/g的电流密度下，循环200圈，具有200-255mAh/g的容量。3.如权利要求1所述的纳米材料，其特征在于，所述纳米材料应用于钠离子电池负极材料时，500mA/g的电流密度下循环200圈，具有100-144mAh/g的容量。4.一种碳插层V2O3纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将五氧化二钒和有机胺液体加入到水中，混合均匀得到混合液，将置于反应釜进行水热反应，得到杂化前驱体；其中所述混合液中五氧化二钒的浓度为0.02-0.04g/mL；(2)将步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍开富，张家宝，李庆伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42