一种Mo/O共掺杂VS4镁离子电池正极材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种Mo/O共掺杂VS4镁离子电池正极材料及其应用，属于电池材料技术领域。将偏钒酸铵和四水合钼酸铵按摩尔比为1160：1的比例配置出浓度为0.167M的水溶液，再与过量硫代乙酰胺的乙二醇溶液混合，200℃水热反应4h；清洗沉淀后烘干，在100℃马弗炉中煅烧20min，得到镁离子电池正极材料MVSO。本发明专利技术通过Mo/O共掺杂，既提高了MVSO的导电性，扩大了MVSO的链间距，还诱导了丰富的氧空位/硫空位共存以及V

【技术实现步骤摘要】
一种Mo/O共掺杂VS4镁离子电池正极材料及其应用


[0001]本专利技术涉及电池材料
，具体涉及一种Mo/O共掺杂VS4镁离子电池正极材料及其应用。

技术介绍

[0002]镁金属的丰富储量和低成本等特点引起了人们对开发适用于镁离子电池(MIBs)正极材料的极大关注。半导体VS4具有独特的链状结构，由八面体V
4+
连接，与电荷为
–
1价的所有S的二聚过硫单元配位。VS4的相邻链间距离为0.58nm，并且链间以弱范德华力相连，这种结构有利于Mg
2+
的快速扩散，因此，VS4是一种很有前途的镁离子电池正极材料。然而，当以VS4作为正极材料，应用在镁离子电池中时，由于Mg
2+
和VS4之间强的静电相互作用而引起的高极化作用，可能导致VS4在循环过程中的结构坍塌以及Mg
2+
扩散动力学较差等现象，很难实现长的循环寿命。因此需要对VS4进行改性以获得具有高比容量、高倍率性能和超长循环寿命的镁离子电池正极材料。
[0003]阴离子或阳离子掺杂是解决上述问题的一种可行途径，阴离子或阳离子掺杂在特定的晶格位置并引入非均匀原子点，利用电子结构的协同调制以改变宿主材料的电化学行为，如：改变能带结构、载流子密度和局域电子构型。在过渡金属化合物中掺杂金属阳离子，可提高电极材料的导电性，以使电极材料具有增强的倍率性能(参见文献：The origin of the two
‑
plateaued or one
‑/>plateaued open circuit voltage in Li
–
S batteries,Yuxiao Lin et al.Nano Energy,2020,75,104915)。同时，利用更大半径的金属离子掺杂到活性材料中，可以扩大活性材料的晶面间距，为Mg
2+
的扩散提供快速且更多的通道。此外，阴离子掺杂到活性材料的阴离子晶格中，可以降低镁离子与阴离子晶格之间的静电相互作用，并可有效地调节活性材料的电子结构和化学物理性质，从而提高其电化学活性，因此，阴离子掺杂也是提高正极材料电化学性能的有效方法(参见文献：Oxygen
‑
doped and nitrogen vacancy co
‑
modified carbon nitride for the efficient visible light photocatalytic hydrogen evolution,Yuanyuan Yang et al.New Journal of Chemistry,2020,44,16320
‑
16328)。另外，掺杂策略还可以诱导产生丰富的缺陷，从而提供更多的活性位点，以提高活性材料的比容量，同时还可以缓解在镁离子脱嵌过程中引起的体积变化，以保持活性材料的结构稳定性，实现超长的循环寿命。
[0004]尽管阴离子或者阳离子掺杂，在一定程度上可以提高镁离子电池的电化学性能，然而，也会带来一些负面影响，如，随着Mg
2+
不断向正极材料的迁移，将导致正极材料发生相变，不仅破坏了正极材料的结构，而且加速了容量衰减(参见文献：Relieving capacity decay and voltage fading of Li
1.2
Ni
0.13
Co
0.13
Mn
0.54
O
2 by Mg
2+
and PO
43
‑
dual doping,Yongpeng Liu et al.Materials Research Bulletin,2020,130,110923)。阳离子/阴离子共掺杂策略可以结合阳离子和阴离子各自的优点，如：一方面可以缓解由于单一元素掺杂而引起的结构变化以保持结构的稳定性，提高循环性能；另一方面还可以快速离子的扩散动力学。因此，阴阳离子共掺杂是修饰VS4正极材料的更好策略。对于VS4，由于Mo
4+
与V
4+
具有
相似的离子半径，这有利于Mo
4+
进入VS4晶格中。此外，Mo
4+
的离子半径略大于V
4+
，这将有利于VS4晶面间距的扩大，同时O2‑
具有相对于S
22
‑
较小的离子半径，O2‑
的掺杂可以缓解由于Mo
4+
掺杂而引起的结构变化。因此，可以推测Mo/O共掺杂在提高VS4的比容量和倍率性能的同时，还可以保持其结构稳定性。然而，通过阴离子/阳离子共掺杂策略来提高镁离子电池正极材料的电化学性能的研究还未见报道。
[0005]本专利技术通过水热法
‑
煅烧法制备了Mo/O共掺杂VS4(MVSO)，并研究了将其作为正极材料，应用在镁离子电池中的电化学性能。电化学性能测试结果表明，基于Mo/O共掺杂所带来的系列电子态与微结构变化的协同效应，MVSO的循环性能和倍率性能均得到了提升。在50mA g
‑1的电流密度下，MVSO表现出140.5mAh g
‑1的较高比容量。并且当电流密度从50mA g
‑1增加到1000mA g
‑1时，MVSO正极材料的比容量由144mAh g
‑1变化到75.2mAh g
‑1，当电流密度恢复到50mA g
‑1时，其比容量又恢复到139.1mAh g
‑1，相对于初始阶段的比容量，其保持率为95.6％，表现出良好的倍率性能。当MVSO正极材料在1000mA g
‑1电流密度下循环时，在1000个循环后，其容量保持率为92％，表现出优异的循环稳定性。本专利技术为未来镁离子电池的正极材料的设计开辟了新的途径。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种镁离子电池正极材料，尤其提供了Mo/O共掺杂VS4镁离子电池正极材料MVSO及其应用。经Mo/O共掺杂修饰的VS4正极材料，表现出较高的比容量，较好的循环稳定性以及优异的倍率性能等。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的镁离子电池正极材料MVSO的制备过程如下：
[0008]1.按照摩尔比为1160：1的比例称取偏钒酸铵和四水合钼酸铵溶于去离子水中，在60℃下磁力搅拌至完全溶解，得到浓度为0.167M的溶液A；
[0009]2.称取过量的硫代乙酰胺溶于与A溶液等体积的乙二醇中，磁力搅拌至完全溶解，得到溶液B；
[0010]3.将溶液B与溶液A混合，在60℃下磁力搅拌至两种溶液完全混合；
[0011]4.将充分混合的溶液转移至100ml反应釜中，加热到200℃，反应4h，反应结束后随炉冷却至室温；
[0012]5.分别用去离子水和无水乙醇清洗沉淀3次，通过离心收集得到沉淀物，将所得沉淀物放入真空干燥箱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Mo/O共掺杂VS4镁离子电池正极材料及其应用，其特征在于，制备过程如下：按1160∶1的比例分别称取偏钒酸铵和四水合钼酸铵，于60℃下磁力搅拌，制备出浓度为0.167M的水溶液；称取过量的硫代乙酰胺溶于与上述水溶液等体积的乙二醇中；将上述两种溶液完全混合后转移至反应釜中，于200℃反应4h；清洗沉淀并干燥后，于马弗炉中加热到100℃煅烧20min，随炉冷却，即得到Mo/O共掺杂VS4镁离子电池正极材料MVSO；将得到的镁离子电池正极材料MVSO组装成扣式镁离子电池，电化学性能的测试电压窗口为0.2～2.1V，电流密度为50～1000mA g
‑1。2.根据权利要求1所述的一种Mo/O共掺杂VS4镁离子电池正极材料及其应用，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李镇江，丁诗琦，戴鑫，孟阿兰，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：