磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维及其制备方法和应用，通过简单的静电纺丝法一步合成多孔纳米纤维，煅烧后组装电池并测试其作为锌离子电池正极材料的电化学性能。磷掺杂能够改变钒氧键周围电子分布，进而改善电导率；五氧化二钒/七氧化三钒复合材料能够增强结构的稳定性；多孔纳米纤维能够增加电极材料和电解液接触的比表面积。本发明专利技术通过控制磷酸与乙酰丙酮氧钒的比例，可以获得不同电化学性能的磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维材料。与公开的锌离子电池电极材料相比，首次将磷酸作为磷源，与五氧化二钒/七氧化三钒复合材料掺杂进行改性，并构建多孔纤维结构，为其它锌离子电池电极材料的制备提供了参考。

【技术实现步骤摘要】
磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维及其制备方法和应用
本专利技术属于电化学储能
，具体涉及磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，新能源技术特别是可充电电池的发展取得了较大的进展。目前，锂离子电池由于其能量传输效率高、高电压以及循环寿命长而被广泛应用于商用储能设备，然而其高成本和安全性等诸多问题严重阻碍了大规模应用。水系锌离子电池由于具有高导电性、锌金属资源丰富、化学物理稳定性高、环境友好以及安全性高而具有广阔的应用前景。目前，水系锌离子电池的电极材料主要包括锰氧化物、普鲁士蓝、醌类似物以及钒氧化物等。其中，五氧化二钒(V2O5)中钒具有多价态及氧化物的层状结构有利于锌离子有效嵌入和脱出；然而V2O5在作为锌离子电池的电极材料时由于锌离子的水合半径较大在锌离子嵌入/脱出过程中V2O5层间范德华力减弱导致结构坍塌。目前研究人员主要是通过离子插层、水插层及制备复合材料等方法来对其进行改善；并且过渡金属氧化物本身的电导率及离子传输能力相对较差，通过掺杂能够有效地改变电子分布进而改善电导率，从而能实现较好的电化学性能。文献1“WangS,ZhuK,YangL,etal.SynthesisandstudyofV2O5/rGOnanocompositeasacathodematerialforaqueouszincionbattery[J].Ionics,2020,26(34):5607-5615.”公开了一种水热法制备V2O5/rGO纳米材料的方法，该方法以偏钒酸铵和还原氧化石墨烯为反应源进行水热反应，通过冷冻干燥和煅烧得到最终产物。通过与rGO复合以增加V2O5的结构稳定性以及电导率，最终改善其作为锌离子电池正极材料时的倍率性能及循环稳定性，虽然相比商业化V2O5该复合材料的循环性能较好，但其在0.1Ag-1电流密度下所对应的比容量只有175mAhg-1。文献2“GaoP,RuQ,YanHL,etal.AdurableNa0.56V2O5nanobeltcathodematerialassistedbyhybridcationicelectrolyteforhigh-performanceaqueouszinc-ionbatteries[J].ChemElectroChem,2020,7(1):283-288.”公开了一种水热法制备Na+掺杂V2O5正极材料的方法，该方法用商业化V2O5和柠檬酸钠为反应源进行水热反应，并通过洗涤、干燥得到最终产物。Na+掺杂以及混合阳离子电解液增加层间距并稳定V2O5的结构，以实现较好的电化学性能，但其在0.1Ag-1电流密度下的首次放电比容量只有317mAhg-1。由此可见，目前复合有V2O5的材料作为锌离子电池电极材料时在小电流密度下的比容量都较小，倍率性能较差，不利于商业化发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决目前复合有V2O5的材料作为锌离子电池电极材料时在小电流密度下的比容量都较小，倍率性能较差，不利于商业化发展的不足之处，而提供一种磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维及其制备方法和应用。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术解决方案是：磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将乙酰丙酮氧钒和聚乙烯吡咯烷酮溶解于N-N二甲基甲酰胺溶剂中，室温搅拌8-12h，直至形成墨绿色溶液，得到反应液；2)将磷酸溶于步骤1)得到的反应液中，搅拌均匀，得到静电纺丝前驱液；3)将静电纺丝前驱液进行静电纺丝，得到纺丝产物；4)将步骤3)得到的纺丝产物在空气气氛中200-400℃煅烧2-4h，得到磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维，即PVO多孔纳米纤维。进一步地，步骤1)中，乙酰丙酮氧钒、聚乙烯吡咯烷酮、N-N二甲基甲酰胺溶剂的质量比为1-3∶2-6∶9.49-28.47。进一步地，步骤2)中磷酸与步骤1)中乙酰丙酮氧钒的质量比为0.0259-0.0777∶1-3。进一步地，步骤3)具体为：将静电纺丝前驱液加入注射器针管中，在电压为13-15kV，针头与静电纺丝机滚轴的距离为13-15cm及0.8-1mL/h的推注速度下进行静电纺丝，得到纺丝产物。该纺丝产物的直径主要是受注射器针头大小以及电压大小的影响。同时，本专利技术提供了一种磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维，其特殊之处在于：采用上述制备方法制备得到。上述制备方法制得的磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维作为锌离子电池正极材料的应用。一种锌离子电池正极，其特殊之处在于：由上述制备方法制得的磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维加工而成。进一步地，所述加工过程具体是将磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维与粘结剂、导电炭黑溶于N-甲基吡咯烷酮中配制浆料，涂覆在碳纸上真空干燥后，得到锌离子电池正极。一种锌离子电池，其特殊之处在于：其正极材料为上述制备方法制得的磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维。本专利技术的优点是：1.与公开的锌离子电池电极材料相比，本专利技术提出将磷酸作为磷源对钒氧化物进行掺杂改性，通过简单的静电纺丝法，一步实现了磷元素掺杂、五氧化二钒/七氧化三钒复合电极材料构筑以及多孔纳米纤维的制备；本专利技术通过有效提高材料的电导率、结构稳定性及比表面积，优化锌离子电池电极材料在小电流密度下的比容量，实现较好的倍率性能，对锌离子电池电极材料的商业化进程具有重要参考意义。2.本专利技术制备方法简单易操作、绿色环保，制备的纳米纤维中V3O7与V2O5复合能增加结构稳定性改善循环稳定性，磷掺杂改变V-O键周围电子分布进而提高其电导率，五氧化二钒/七氧化三钒复合材料能够增强结构的稳定性；且该多孔纳米纤维为离子电子传输缩短路径，增加和电解液接触比表面积，因此，所制备的PVO多孔纳米纤维具有较好的电化学性能。3.本专利技术通过控制磷酸与乙酰丙酮氧钒的比例，可以获得不同电化学性能的磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维材料。附图说明图1是本专利技术实例一制备的高性能磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维的SEM图；图2是本专利技术实例一制备的高性能磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维的XRD图；图3是本专利技术实例一制备的高性能磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维的TEM图；图4是本专利技术实例一制备的高性能磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维作为锌离子电池正极的倍率性能图；图5是本专利技术实例一制备的高性能磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维作为锌离子电池正极在1Ag-1电流密度下的循环性能图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术的内容作进一步的详细描述：实施例1一种高性能磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：1)分别称取乙酰丙酮氧钒1g和聚乙烯吡咯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)将乙酰丙酮氧钒和聚乙烯吡咯烷酮溶解于N-N二甲基甲酰胺溶剂中，室温搅拌8-12h，得到反应液；/n2)将磷酸溶于步骤1)得到的反应液中，搅拌均匀，得到静电纺丝前驱液；/n3)将静电纺丝前驱液进行静电纺丝，得到纺丝产物；/n4)将步骤3)得到的纺丝产物在空气气氛中200-400℃温度下煅烧2-4h，得到磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维。/n

【技术特征摘要】
1.磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将乙酰丙酮氧钒和聚乙烯吡咯烷酮溶解于N-N二甲基甲酰胺溶剂中，室温搅拌8-12h，得到反应液；
2)将磷酸溶于步骤1)得到的反应液中，搅拌均匀，得到静电纺丝前驱液；
3)将静电纺丝前驱液进行静电纺丝，得到纺丝产物；
4)将步骤3)得到的纺丝产物在空气气氛中200-400℃温度下煅烧2-4h，得到磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维。


2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：
步骤1)中，乙酰丙酮氧钒、聚乙烯吡咯烷酮、N-N二甲基甲酰胺溶剂的质量比为1-3∶2-6∶9.49-28.47。


3.根据权利要求2所述磷掺杂五氧化二钒/七氧化三钒多孔纳米纤维的制备方法，其特征在于：
步骤2)中磷酸与步骤1)中乙酰丙酮氧钒的质量比为0.0259-0.0777∶1-3。


4.根据权利要求1-3任一所述制备方法，其特征在于，步骤3)具体为：
将静电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王维佳，樊慧庆，冯成，薛雨佳，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61