钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法，以水作为溶剂，以无水碘化钠和一水合磷酸钒氧为钠源和钒源，并引入乙酸钴四水，通过协同控制浓度及配比、反应温度、反应时间、填充比等参数，实现了一步水热法合成的由纳米片组装的钴离子嵌入的HNaV6O

【技术实现步骤摘要】
钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法和应用


[0001]本专利技术属于离子电池正极材料的
，涉及钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法。
[0002]本专利技术还涉及钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体在钠离子电池领域的应用。

技术介绍

[0003]随着人们对化石燃料快速消费造成的全球变暖和环境污染的担忧，能源危机正在升级；电化学储能设备，例如可充电锂离子电池，可以通过化学反应有效的储存和释放电力，为电动汽车和智能电网提供了巨大的市场潜力，作为锂离子电池的替代品，由于钠资源丰富，在世界各地分布均匀，因此人们一直在寻找具有类似化学储存机制的钠离子电池；许多层状过渡金属氧化物材料用作钠离子电池正极时，充放电过程中的相变会导致容量严重衰减，从而导致循环寿命差；近年来，层状钒基氧化物材料由于其高工作电压、结构稳定性和高比容量，已成为钠离子电池正极材料的研究热点。由于钒的多电子转移，钒基氧化物具有高的理论比容量；因此，已经制备了一系列钒基氧化物材料，并将其用作钠离子电池中的活性正极材料；
[0004]作为钒基氧化物中的一种，HNaV6O
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4H2O由[V3O8]层构成，钠离子位于八面体空位，在层间起到支撑作用，稳定晶体结构，是一种很有发展潜力的正极材料；然而，其电子电导率低和钠离子扩散速率慢，导致其在循环过程中容量衰减较快，倍率性能较差；鉴于HNaV6O
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4H2O以上缺点，过渡金属离子的化学嵌入是否能显著改善其在可逆Na
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储存释放过程中的结构不稳定性、电导率和离子扩散动力学，成为一个值得探索的问题；然而大量金属离子的嵌入可能会降低HNaV6O
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4H2O的比容量；在本研究中，我们使用通用的水热方法，实现了少量钴离子在HNaV6O
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4H2O层间的的化学嵌入，可以有效改善HNaV6O
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4H2O的离子扩散动力学、电子导电率和结构稳定性，从而提高电化学性能。由于钴离子的嵌入，不仅可以增强快充能力，而且可以促进电化学过程中的可逆性；
[0005]此外，在充放电过程中离子嵌入脱出引起的体积膨胀造成材料结构坍塌；充放电过程中的容量衰减是由钒的溶解、电解质在高压(或高温)下的分解和HNaV6O
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4H2O颗粒的粉化；诱导钒溶解的一个主要因素是液体电解质中微量酸性物质(HF)的侵蚀；钒的溶解会破坏HNaV6O
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4H2O的晶体结构，导致不可逆容量衰减或低库仑效率；随后，液体电解质中的钒离子可能沉积在阳极表面，从而增加电池阻抗或破坏固体电解质界面(SEI)层。表面改性是抑制钒溶解的有效方法。通常通过在HNaV6O
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4H2O颗粒表面涂覆(或包裹)保护层(如石墨烯、金属氧化物、活性电极材料和聚合物)来实现；保护层可以防止HNaV6O
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4H2O颗粒和电解质之间的直接接触，减小HF的腐蚀；
[0006]二维材料MXene已被证明在能量转换和存储方面具有突出的潜力，Ti3C2Tx是研究最多的MXene，它是通过使用HF从Ti3AlC
2 MAX相中选择性蚀刻Al合成的；Ti3C2Tx具有优异的电子导电性、良好的机械性能和相对容易的制备工艺；重要的是，Ti3C2Tx是在HF环境中制备的，对HF稳定。因此，Ti3C2Tx基本上可以满足上述标准，是HNaV6O
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4H2O颗粒抑制钒溶解
的保护层的合适选择；这里，提出了褶皱的Ti3C2Tx纳米片作为保护层来抑制钒的溶解；HNaV6O
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4H2O颗粒被封装在皱缩的Ti3C2Tx纳米片中，发现这大大提高了速率和循环能力；
[0007]综上，本专利技术利用金属离子掺杂协同Ti3C2Tx包覆的技术思路，以钴离子嵌入改善HNaV6O
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4H2O的晶体结构和电子电导率，从而提升HNaV6O
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4H2O的循环稳定性；再利用Ti3C2Tx包覆抑制钒的溶解，抑制充放电过程中的体积膨胀和颗粒粉化，提升材料的容量和循环稳定性。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法，解决了现有HNaV6O
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4H2O材料中存在的循环不稳定以及容量小的问题。
[0009]本专利技术所采用的技术方案是，钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法，具体按以下步骤实施：
[0010]步骤1，称取一水合磷酸钒氧分散到去离子水中超声分散得到溶液A；
[0011]步骤2，称取15～16mg的乙酸钴四水和90～95mg的无水碘化钠加入至溶液A中得到溶液B；
[0012]步骤3，将B溶液超声处理；
[0013]步骤4，将超声后的溶液B倒入反应釜内衬中，然后将内衬装于外釜中固定后，放入鼓风干燥箱中，然后进行清洗；
[0014]步骤5，真空干燥后收集产物，研磨后得到钴掺杂的HNaV6O
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4H2O粉体样品；
[0015]步骤6，将HNaV6O
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4H2O颗粒添加至CTAB水溶液中，通过磁力搅拌得到溶液C；
[0016]步骤7，将溶液C滴入Ti3C2Tx悬浮液的烧杯中，通过磁力搅拌得到溶液D；
[0017]步骤8，将溶液D进行真空过滤清洗，然后真空干燥收集产物，得到钴掺杂协同Ti3C2Tx包覆的HNaV6O
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4H2O粉体样品。
[0018]本专利技术的特点还在于：
[0019]其中步骤1具体为：称取250～350mg的一水合磷酸钒氧，分散到30～40ml的去离子水中，超声功率为80～120W，并在常温下进行超声0.5h～1.5h，得到溶液A；
[0020]其中步骤2具体为：称取15～16mg的乙酸钴四水和90～95mg的无水碘化钠加入至溶液A中得到溶液B，乙酸钴四水为微量调控，称量仪器为分析天平；
[0021]其中步骤3具体为：将B溶液超声1h～3h，溶液由酒红色逐渐转变为黑色为止，超声功率为80～120W，并在常温下进行；
[0022]其中步骤4具体为：干燥箱温度为140～160℃，干燥时间为11～13h，经过2～4次水和2～4次醇交替清洗产物，水和醇交替清洗主要是通过抽滤或者离心的方式，收集也主要是通过抽滤或者离心的方式进行；
[0023]其中步骤5中真空干燥条件为：50～70℃，干燥11～13h，真空干燥前将步骤4的产物用保鲜膜进行密封，然后对保鲜膜进行扎孔处理，以保证对其在低压条件下的充分干燥；
[0024]其中步骤6具体为：将0.4～0.6g的HNaV6O
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，称取一水合磷酸钒氧分散到去离子水中超声分散得到溶液A；步骤2，称取乙酸钴四水和无水碘化钠加入至溶液A中得到溶液B；步骤3，将B溶液超声处理；步骤4，将超声后的溶液B倒入反应釜内衬中，然后将内衬装于外釜中固定后，放入鼓风干燥箱中，然后进行清洗；步骤5，真空干燥后收集产物，研磨后得到钴掺杂的HNaV6O
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4H2O粉体样品；步骤6，将HNaV6O
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4H2O颗粒添加至CTAB水溶液中，通过磁力搅拌得到溶液C；步骤7，将溶液C滴入Ti3C2Tx悬浮液的烧杯中，通过磁力搅拌得到溶液D；步骤8，将溶液D进行真空过滤清洗，然后真空干燥收集产物，得到钴掺杂协同Ti3C2Tx包覆的HNaV6O
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4H2O粉体样品。2.根据权利要求1所述的钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体为：称取250～350mg的一水合磷酸钒氧，分散到30～40ml的去离子水中，超声功率为80～120W，并在常温下进行超声0.5h～1.5h，得到溶液A。3.根据权利要求1所述的钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：称取15～16mg的乙酸钴四水和90～95mg的无水碘化钠加入至溶液A中得到溶液B。4.根据权利要求1所述的钴掺杂协同MXene包覆钒酸钠复合粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体为：将B溶液超声1h～3h，溶液由酒红色逐渐转变为黑色为止，超声功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文斌，李喜飞，杨豪飞，王晶晶，罗彭辉，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：