【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钠离子电池电极材料，尤其涉及一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料及其制备方法与应用。
技术介绍
1、电化学能源存储设备包括锂离子电池(libs)，电化学电容器(ecs)，金属氧电池等。这些丰富的能源存储系统在便携式电子产品、混合动力/纯电动汽车、智能电网和其它可充电环保电子设备等众多应用领域显示出了重大的进步和巨大的潜力。其中钠离子电池在小型移动电子设备、电动汽车，储能电站等领域的广泛应用引起了广大研究者的青睐。在过渡金属中，钒的理论比容量为1037mah/g，是石墨材料的2.7倍，钒过渡金属还有丰富的价态，多种氧化还原电位，可以通过不同的工艺优化制备出多种氧化物用于钠离子电池的正极。
2、v2o5是具有明确的正交相、多种氧化态(ii-v)和典型层状结构的过渡金属氧化物，其晶体是由金字塔形五面体通过共点和共边的方式组成，良好的层间结构允许离子可逆插层/脱插层，增加了离子与电解质的氧化还原反应，是一种适合大规模生产的低成本材料。但块体v2o5电导率差，反应动力学慢，易发生钒溶解，使其应用受到限制。目前，大块晶体结构已被纳米化，转化为纳米棒、纳米线、纳米片、纳米带和其他纳米结构。这些纳米结构具有更好的反应动力学和更短的扩散路径，并且在离子插层/脱插层过程中，它们以更小的应变改善了晶体结构的可循环性。然而，这些纳米v2o5材料仍然存在电导率低、循环过程中容易破碎导致循环性能差等缺点。
技术实现思路
1、为解决现有纳米v2o5材料用作锂离子电池正极材料时电导率低、循
2、本专利技术的技术方案：
3、一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：
4、步骤一、将mcmb依次置于炭化炉和石墨炉中进行加热处理得到石墨化的mcmb；
5、步骤二、将步骤一所得石墨化的mcmb与浓硫酸、硝酸钠混合搅拌得到混合体系ⅰ，水浴条件下向所得混合体系ⅰ中分多次加入高锰酸钾并搅拌得到混合体系ⅱ，在搅拌条件下向所得混合体系ⅱ中分多次加入蒸馏水得到混合体系ⅲ，待所得混合体系ⅲ冷却至室温后，向其中加入30％的h2o2，直至不再有气泡产生并且溶液呈金黄色，收集沉淀产物清洗干燥后得到mcmb基纳米碳材料mcmb-c；
6、步骤三、按质量体积比0.1～2.0g:20～200ml将偏钒酸铵超声溶解于去离子水中，调节所得偏钒酸铵水溶液的ph值至1～5；将步骤二所得mcmb基纳米碳材料超声分散于去离子水中得到mcmb基纳米碳材料体系，按mcmb基纳米碳材料与偏钒酸铵质量比1:20～1:5将所得mcmb基纳米碳材料体系与偏钒酸铵水溶液混合搅拌，120～200℃反应12～24h，待反应完成后冷却至室温，收集固体产物，得到vxoy/c前驱体粉末；
7、步骤四、将步骤三所得vxoy/c前驱体粉末高温煅烧后自然冷却至室温，得到v2o5/c固体粉末，即为五氧化二钒/碳纳米复合电极材料。
8、进一步的，步骤一所述炭化炉的加热处理条件为惰性气体保护下，以5～10℃/min的升温速率加热到500～1000℃，恒温1～5h；所述石墨炉的加热处理条件为以10～20℃/min的升温速率加热到2800～3000℃，恒温1～3h。
9、进一步的，步骤二所述石墨化的mcmb、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾和蒸馏水的质量体积比为1.0g:30～70ml:1.0～5.0g:3.0～8.0g:60～120ml。
10、进一步的，所述浓硫酸的浓度为90-98％，所述混合体系ⅰ的搅拌时间为10～50min；所述水浴条件的温度为30～60℃，所述混合体系ⅱ的搅拌时间为12～24h。
11、进一步的，步骤二所述沉淀产物的清洗是依次用1mol/l的盐酸、无水乙醇各洗三次，所述干燥是在室温下晾干。
12、进一步的，步骤三所述偏钒酸铵水溶液调节ph值使用的试剂为氨水和酸溶液，所述酸溶液为硝酸、草酸、磷酸、甲酸、乙酸、硫酸或盐酸中的一种。
13、进一步的，步骤三所述收集固体产物是在8000rap/s的条件下离心，并用水和无水乙醇依次清洗若干次。
14、进一步的，步骤四所述高温煅烧是以5～20℃/min的升温速率加热到200～500℃，恒温处理1～5h。
15、一种本专利技术提供的五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法所制备的五氧化二钒/碳纳米复合电极材料。
16、一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料在钠离子电池制备中的应用。
17、本专利技术的有益效果：
18、本专利技术从微观结构入手，构筑、合成具有特定形貌的三维纳米结构复合电极材料。本专利技术提供的五氧化二钒/碳纳米复合电极材料，五氧化二钒纳米带均匀的锚定在mcmb-c表面，使复合电极材料具有更大的化学比表面积，为材料的体积膨胀提供有效缓冲空间，减少钠离子和电子的传输路径，进而提升了电极材料的电化学性能。将本专利技术复合电极材料组装成钠离子半电池，在0.01-2.5v(vs.na+/na)电压窗口下进行电化学测试，在电流密度为40ma/g时，电极的比容量高达138mah/g；当电流密度进一步增大后，电极表现出更高的小电流密度容量保持率，说明其倍率性能较好。经100圈充放电循环后，材料的容量保持率依旧高达71.65％，进一步证实将五氧化二钒纳米化、复合化，能够有效改善钒材料所面临的电压衰减、容量衰减等问题，使其循环性能得到明显提升。
19、v2o5纳米片的一维纳米结构提供了沿着一维方向的有效电子传输路径，较大的比表面积提供了更短的离子扩散路径，与碳材料的复合提高了v2o5/c的导电性和结构稳定性。与低维纳米材料相比，v2o5/c三维纳米结构材料不仅具有丰富的反应界面，可以提供更多活性位点，三维骨架结构也可为物质传输提供通道，增加界面接触的同时有效避免活性物质的随机团聚，从而保持了电极的结构稳定性。因此，在相同的电化学试验下，具有三维或分级结构的v2o5/c表现出比低维电极材料更好的电化学性能。
20、本专利技术将v2o5与中间相碳微球mcmb复合，有助于改善电极的总体导电性、增加比电容，降低充电/放电过程中的能量损失，可提高电极材料的导电性和结构稳定性，克服了单一电极材料的缺点，是满足快速充电便携式电子设备、长寿命电动汽车和环保储能设备需求的关键。
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1.一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述炭化炉的加热处理条件为惰性气体保护下，以5～10℃/h的升温速率加热到500～1000℃，恒温1～5h；所述石墨炉的加热处理条件为以10～20℃/h的升温速率加热到2800～3000℃，恒温1～3h。
3.根据权利要求1或2所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述石墨化的MCMB、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾和蒸馏水的质量体积比为1.0g:30～70mL:1.0～5.0g:3.0～8.0g:60～120mL。
4.根据权利要求3所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述浓硫酸的浓度为90～98％，所述混合体系Ⅰ的搅拌时间为10～50min；所述水浴条件的温度为30～60℃，所述混合体系Ⅱ的搅拌时间为12～24h。
5.根据权利要求4所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述沉淀产物的清洗
6.根据权利要求5所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤三所述偏钒酸铵水溶液调节pH值使用的试剂为氨水和酸溶液，所述酸溶液为硝酸、草酸、磷酸、甲酸、乙酸、硫酸或盐酸中的一种。
7.根据权利要求6所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤三所述收集固体产物是在8000rap/s的条件下离心，并用水和无水乙醇依次清洗若干次。
8.根据权利要求7所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤四所述高温煅烧是以5～20℃/min的升温速率加热到200～500℃，恒温处理1～5h。
9.一种如权利要求1-8任一所述的五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法所制备的五氧化二钒/碳纳米复合电极材料。
10.一种如权利要求9所述五氧化二钒/碳纳米复合电极材料在钠离子电池制备中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述炭化炉的加热处理条件为惰性气体保护下，以5～10℃/h的升温速率加热到500～1000℃，恒温1～5h；所述石墨炉的加热处理条件为以10～20℃/h的升温速率加热到2800～3000℃，恒温1～3h。
3.根据权利要求1或2所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述石墨化的mcmb、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾和蒸馏水的质量体积比为1.0g:30～70ml:1.0～5.0g:3.0～8.0g:60～120ml。
4.根据权利要求3所述一种五氧化二钒/碳纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述浓硫酸的浓度为90～98％，所述混合体系ⅰ的搅拌时间为10～50min；所述水浴条件的温度为30～60℃，所述混合体系ⅱ的搅拌时间为12～24h。
5.根据权利要求4所述一种五氧化二钒/碳纳米复合...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨光，唐诗洋，姜瑞婷，丁会敏，李微，张玥，陈越，张宇，王志成，
申请(专利权)人：黑龙江省能源环境研究院，
类型：发明
国别省市：
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