一种中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法及其应用。所述羟基氧化钒为球形形貌、直径为190

【技术实现步骤摘要】
一种中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种羟基氧化钒的制备方法及其应用，特别是一种中空球壳结构羟基氧化钒的应用。

技术介绍

[0002]随着电动汽车产业的不断发展和便携式电子产品的智能化、轻便化，对储能设备的需求也在不断增长，因而发展具有高能量密度、高比容量、长循环寿命、高安全系数的储能器件迫在眉睫，在众多新型储能器件中，二次电池因其体积小、重量轻、可循环使用等优点，受到了科研界和工业界的极大关注。在现有的二次电池中，锂硫电池(LSBs)因其具有高能量密度(2500Wh
·
kg
‑1)和高比容量(1675mAh
·
g
‑1)，及其正极硫单质储量丰富、生产成本低、环境友好等优势，被认为是最具应用潜力的下一代高能量密度电化学储能器件之一。
[0003]锂硫电池主要由硫(S)正极、金属锂负极、电解液以及多孔聚烯烃微孔隔膜组成。目前，锂硫电池的实用化所面临的主要问题之一是电池充放电过程中产生的可溶解于有机电解液的多硫化物(Li2S
n
(4≤n≤8))的“穿梭效应”，这一效应导致了电池的容量衰减、活性物质损失、库伦效率降低、自放电等问题。通过构建隔膜阻挡层能有效缓解穿梭效应，目前，按与多硫化物分子作用的效果来看。缓解穿梭效应的材料有三种功能：1)物理限域；2)化学吸附；3)催化转化可溶性多硫化物。物理限域指把多硫化物限制在材料的孔结构内，如中空纳米棒、中空纳米立方体和中空微球等；化学吸附是通过金属阳离子与多硫化物阴离子形成金属
‑
S键；催化转化可溶性多硫化物通常是指加快液固反应过程，促进可溶性多硫化物向固态Li2S的转变，避免了多硫化物在电解液内的积累。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术设计了一种中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法及其应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提供一种中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法及其应用。本专利技术以中空球壳结构羟基氧化钒(VOOH)用于制备锂硫电池隔膜阻挡层，阻挡层由于官能团(
‑
OH)的作用，其能有效分散在乙醇中，并且中空球壳结构的VOOH不需要与导电剂同时超声,避免了超声破坏中空球壳结构的形貌；通过真空抽滤方法实现阻挡层与PP隔膜的成功结合；并且中空球壳结构的VOOH一方面具有容纳多硫化物的同时可以化学吸附多硫化物，减少多硫化物穿梭到负极；另一方面中空球壳结构羟基氧化钒与氮掺杂石墨烯复合物可以将多硫化物催化转化成Li2S，实现阻挡层对多硫穿梭的有效抑制，最终提升锂硫电池的电化学性能；在能量转换与存储领域具有重要的研究意义，并且本专利技术提供的制备方法简单易行、成本低，减少了有毒物质N
‑
甲基吡咯烷酮的使用，为中空球壳结构的VOOH的材料应用于锂硫电池时提供了一种可行性方案的特点。
[0006]本专利技术的技术方案：一种中空球壳结构羟基氧化钒，所述羟基氧化钒为球形形貌、直径为190
‑
330nm、内部是中空结构；球壳的厚度为35
‑
42nm，球壳上分布有孔，孔的密0度为
(3.85
‑
4.52)
×
10
‑4个/nm2；所述羟基氧化钒的分子式为VOOH，结构式为H
‑
O
‑
V＝O。
[0007]前述的中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法中，所述羟基氧化钒通过下述步骤进行制备：
[0008](1)将偏钒酸铵加入去离子水中搅拌，得A品；
[0009](2)向A品加入盐酸溶液，然后再加入水合肼溶液，继续搅拌，得B品；
[0010](3)将B品进行水热反应，冷却后，使用无水乙醇和去离子水混合离心清洗，得中空球壳结构的羟基氧化钒。
[0011]前述的中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法中，所述步骤(1)中，将0.234
‑
0.250g将偏钒酸铵加入40
‑
50mL去离子水中，在10
‑
30℃下磁力搅拌0.5
‑
1.5h，磁力搅拌的转速为350
‑
390r
·
min
‑1；
[0012]所述步骤(2)中，在10
‑
30℃磁力搅拌的条件下，向40
‑
50mLA品加入1
‑
1.2mL盐酸溶液，然后再加入2
‑
3mL水合肼溶液，在10
‑
30℃下继续磁力搅拌0.5
‑
1.5h，磁力搅拌的转速为350
‑
390r
·
min
‑1；
[0013]所述盐酸的浓度为0.8
‑
1.2mol
·
mL
‑1，水合肼溶液质量分数为80
‑
85％。
[0014]前述的中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法中，所述步骤(3)中，将B品进行水热反应，水热反应的温度150
‑
170℃，反应时间10
‑
14h，冷却至20
‑
30℃后，使用无水乙醇和去离子水混合离心清洗至pH值为6.8
‑
7.2，得中空球壳结构羟基氧化钒。
[0015]所述的中空球壳结构羟基氧化钒的应用，将所述中空球壳结构羟基氧化钒用于制备锂硫电池隔膜阻挡层；具体包括以下步骤：
[0016](4)将中空球壳结构羟基氧化钒加入到无水乙醇中，分散，得C品；
[0017](5)用水合肼溶液还原氧化石墨烯制备氮掺杂石墨烯，得D品；
[0018](6)将粘结剂溶解于N
‑
甲基吡咯烷酮和无水乙醇中，然后加入D品，超声分散，再加入C品，搅拌，得E品；
[0019](7)使用隔膜将E品进行真空抽滤，得到E品修饰的隔膜，即得锂硫电池隔膜阻挡层。
[0020]所述的中空球壳结构羟基氧化钒的应用中，所述步骤(4)中，将0.11
‑
0.405g中空球壳结构羟基氧化钒加入到20
‑
30mL无水乙醇中，磁力搅拌分散2
‑
4h，磁力搅拌的转速为：350
‑
390r
·
min
‑1，得C品；
[0021]所述步骤(5)，在冰浴的情况下，使用超声波细胞粉碎仪将氧化石墨烯分散于去离子水中，得分散液，分散液的浓度为1.8
‑
2.2mg
·
mL
‑1，在磁力搅拌下，然后质量分数为40
‑
42.5％的水合肼滴加于分散液中，70
‑
90℃反应20
‑
28h，待冷却到20
‑
30℃后，清洗至pH为6.8
‑
7.2，冷冻干燥后获得氮掺杂石墨烯粉末，得D品；所述磁力搅拌的时间20
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中空球壳结构羟基氧化钒，其特征在于：所述羟基氧化钒为球形形貌、直径为190
‑
330nm、内部是中空结构；球壳的厚度为35
‑
42nm，球壳上分布有孔，孔的密度为(3.85
‑
4.52)
×
10
‑4个/nm2；所述羟基氧化钒的分子式为VOOH，结构式为H
‑
O
‑
V＝O。2.根据权利要求1所述的中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法，其特征在于：所述羟基氧化钒通过下述步骤进行制备：(1)将偏钒酸铵加入去离子水中搅拌，得A品；(2)向A品加入盐酸溶液，然后再加入水合肼溶液，继续搅拌，得B品；(3)将B品进行水热反应，冷却后，使用无水乙醇和去离子水混合离心清洗，得中空球壳结构的羟基氧化钒。3.根据权利要求2所述的中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，将0.234
‑
0.250g将偏钒酸铵加入40
‑
50mL去离子水中，在10
‑
30℃下磁力搅拌0.5
‑
1.5h，磁力搅拌的转速为350
‑
390r
·
min
‑1；所述步骤(2)中，在10
‑
30℃磁力搅拌的条件下，向40
‑
50mLA品加入1
‑
1.2mL盐酸溶液，然后再加入2
‑
3mL水合肼溶液，在10
‑
30℃下继续磁力搅拌0.5
‑
1.5h，磁力搅拌的转速为350
‑
390r
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min
‑1；所述盐酸的浓度为0.8
‑
1.2mol
·
mL
‑1，水合肼溶液质量分数为80
‑
85％。4.根据权利要求2所述的中空球壳结构羟基氧化钒的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将B品进行水热反应，水热反应的温度150
‑
170℃，反应时间10
‑
14h，冷却至20
‑
30℃后，使用无水乙醇和去离子水混合离心清洗至pH值为6.8
‑
7.2，得中空球壳结构羟基氧化钒。5.根据权利要求1
‑
4中任意一项的所述的中空球壳结构羟基氧化钒的应用，其特征在于：将所述中空球壳结构羟基氧化钒用于制备锂硫电池隔膜阻挡层；具体包括以下步骤：(4)将中空球壳结构羟基氧化钒加入到无水乙醇中，分散，得C品；(5)用水合肼溶液还原氧化石墨烯制备氮掺杂石墨烯，得D品；(6)将粘结剂溶解于N
‑
甲基吡咯烷酮和无水乙醇中，然后加入D品，超声分散，再加入C品，搅拌，得E品；(7)使用隔膜将E品进行真空抽滤，得到E品修饰的隔膜，即得锂硫电池隔膜阻挡层。6.根据权利要求5中所述的中空球壳结构羟基氧化钒的应用，其特征在于：所述步骤(4)中，将0.11
‑
0.405g中空球壳结构羟基氧化钒加入到20
‑
30mL无水乙醇中，磁力搅拌分散2
‑
4h，磁力搅拌的转速为：350
‑
390r
·
min
‑1，得C品；所述步骤(5)，在冰浴的情况下，使用超声波细胞粉碎仪将氧化石墨烯分散于去离子水中，得分散液，分散液的浓度为1.8
‑
2.2mg
·
mL
‑1，在磁力搅拌下，然后质量分数为40
‑
42.5％的水合肼滴加于分散液中，70
‑
90℃反应20
‑
28h，待冷却到20
‑
30℃后，清洗至pH为6.8
‑
7.2，冷冻干燥后获得氮掺杂石墨烯粉末，得D品；所述磁力搅拌的时间20
‑
28h、磁力搅拌的转速为：350
‑
390r
·
min
‑1；所述步骤(6)中，将0.005g粘结剂PVDF溶解于20
‑
30mL...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵姣婧，朱绍宽，龙翔，宋娅，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：