【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电极材料，具体涉及一种层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、金属离子电池和电容器由于其能量密度高、电解液更安全等诸多优点而成为储能领域的研究热点。其中以镁、锌离子电池为代表的二价离子电池，由于较高的理论容量、较高的储能电位和高安全性，获得了广泛关注并展现出巨大的应用前景。然而，本领域中对于能同时用于镁离子电池和锌离子的电池的材料仍有待开发，尤其是通过结构设计实现良好电化学性能和良好循环稳定性的材料仍面临较大挑战。
2、在现有技术中，用作镁离子电池的正极材料主要有五氧化二钒、锰基氧化物、钴基氧化物等。用作锌离子电池的正极材料主要包括钒基氧化物、锰基氧化物和普鲁士蓝材料等。由此可见，可用于多个不同离子电池体系且在不同电池体系中均能保持良好电化学性能的正极材料尚无有效的技术方案。而传统vopo4系列材料由于导电性较差且层间距较小，难以快速传导电子和离子，严重阻碍了其实际应用。
3、综上，研发出一种适用于镁/锌离子电池的、具有良好电化学性能和良好循环稳定性的正极材料，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
1、为了克服现有vopo4材料的性能的不足，并将其应用于镁离子和/或锌离子电池，本专利技术提供了一种扩层协同碳包覆正极材料，具体包括层间距扩大的vopo4电极与覆盖在电极表面的有机碳包覆层。其中，所述层间距扩大的vopo4电极，是以纳米片的形式堆积形成微米球的结构，纳米片的厚度为10-20nm，纳米球的直
2、本专利技术首先制备得到层间距扩大的vopo4材料作为基底，再在其表面以三乙二醇为碳源进行原位碳包覆。其中，所采用的三乙二醇不仅可以有效嵌入到材料内部，产生良好的扩层结构，而且在后续煅烧过程中可以在层间形成无定形碳起到导电层的作用。即在本专利技术中三乙二醇不仅作为碳源还可以同时作为扩层试剂，这是其他碳源所不具备的特性。层间距扩大后的vopo4材料使得电极离子传输能力得到提升，而碳包覆层则提升了体系的电子传输性能，再设计二者特定的配比，使得制备得到的电极材料具有比容量高、循环稳定性能好等明显优势。
3、本专利技术的另一目的在于提供上述层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料的制备方法。整体工艺简单，具有无污染、成本低、能耗低等优点。
4、为实现上述目的，本专利技术提供一种层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
5、步骤一：将五氧化二钒分散于水，在搅拌的状态下滴入浓磷酸溶液；
6、步骤二：将步骤一所得溶液以一定温度进行回流反应，反应结束后，过滤，得到固体产物；
7、步骤三：研磨步骤二所得固体产物，分散于异丙醇中，超声，得到混合物；
8、步骤四：将步骤三所得混合物离心分离，将分离得到的固体与三乙二醇混合，搅拌均匀；
9、步骤五：将步骤四所得混合物离心分离，将分离得到的固体在惰性气氛下煅烧，得到所述层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料。
10、在一优选的实施方式中，步骤一中，所述五氧化二钒与水的质量体积比为1g：(5.2-7.2)ml；优选的，所述五氧化二钒与水的质量体积比为1g：6.25ml。
11、在一优选的实施方式中，步骤一中，所述五氧化二钒与浓磷酸溶液的质量体积比为1g：(4.9-6.8)ml；优选的，所述五氧化二钒与浓磷酸溶液的质量体积比为1g：5.8ml。
12、在一优选的实施方式中，所述浓磷酸为饱和浓磷酸，优选的，所述饱和浓磷酸的浓度为85.11％。
13、在一优选的实施方式中，步骤二中，所述溶液回流反应温度为150-190℃，反应时间为15-24h。
14、在一优选的实施方式中，步骤三中，所述固体与异丙醇的质量体积比为1mg：(0.4-0.6)ml；优选的，所述固体与异丙醇的质量体积比为2mg/ml。
15、在本专利技术中，vopo4固体和异丙醇在超声条件下相互作用，形成了层间距扩大的vopo4产物。选择异丙醇作为扩层前处理试剂，其目的在于异丙醇可以和水形成独特的氢键结构，使得五氧化二钒层间水快速脱出，从而便于下一步的继续扩层。优选的，所述超声功率为5-20w，所述超声时间为1-2h。
16、在一优选的实施方式中，步骤四中，所述固体与三乙二醇的质量体积比为4.8g：(5-10)ml；优选的，所述搅拌转速为100-300r/min，所述搅拌时间为40-60h。
17、在一优选的实施方式中，步骤五中，所述惰性气氛包括氩气。
18、在一优选的实施方式中，步骤五中，所述煅烧温度为600-700℃，煅烧时间为1-3h。
19、本专利技术的另一目的在于提供上述层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料作为电池正极，在制备镁离子和/或锌离子电池中的应用。
20、本专利技术提供了一种镁离子电池，包括作为正极的层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料，作为负极的镁金属电极，电解液为溶解于二甲醚中的mg(tfsi)2溶液。
21、在一优选的实施方式中，所述镁离子电池比容量可以达到217.6mah g-1，进行800次充放电循环后，比容量剩余191.3mah g-1。
22、本专利技术提供了一种锌离子电池，包括作为正极的层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料，作为负极的锌金属电极，作为电解液的硫酸锌溶液。
23、在一优选的实施方式中，所述锌离子电池比容量可以达到356.2mah g-1，500次充放电循环后，比容剩余304.2mah g-1。
24、与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有如下优点：
25、本专利技术整体制备方法易于操作，绿色环保，无论是制备层间距扩大后的vopo4材料还是以三乙二醇为碳源进行原位碳包覆，均具有低成本、低能耗的显著优势。所制备的作为镁离子和/或锌离子电池的正极材料时，其比容量、能量密度和循环稳定性有了显著提高。具体地，以所得到复合材料为正极，镁金属为负极，以溶解于二甲醚的mg(tfsi)2溶液为电解液，组装成的镁离子电池展现出高达217.6mah g-1的比容量和良好的循环稳定性(800次充放电循环后，比容剩余191.3mah g-1)。以所得到复合材料为正极，锌金属为负极，以2m的硫酸锌溶液为电解液，组装成的锌离子电池展现出高达356.2mah g-1的比容量和良好的循环稳定性，500次充放电循环后，比容剩余304.2mah g-1。
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1.一种层间距扩大的碳包覆VOPO4复合电极材料，其特征在于，所述材料包括层间距扩大的VOPO4电极与覆盖在电极表面的有机碳包覆层；其中，所述层间距扩大的VOPO4电极，是以纳米片的形式堆积形成微米球的结构，纳米片的厚度为10-20nm，纳米球的直径为3-5μm；所述有机碳包覆层由三乙二醇煅烧形成；所述层间距扩大的VOPO4电极与所述有机碳包覆层的质量比为10:1。
2.如权利要求1所述层间距扩大的碳包覆VOPO4复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.如权利要求2所述层间距扩大的碳包覆VOPO4复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述五氧化二钒与浓磷酸溶液的质量体积比为1g：(4.9-6.8)ml。
4.如权利要求2所述层间距扩大的碳包覆VOPO4复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述溶液回流反应温度为150-190℃，反应时间为15-24h。
5.如权利要求2所述层间距扩大的碳包覆VOPO4复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述固体与异丙醇的质量体积比为1mg：(0.4-0.6)
6.如权利要求2所述层间距扩大的碳包覆VOPO4复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述固体与三乙二醇的质量体积比为4.8g：(5-10)mL。
7.一种镁离子电池，其特征在于，包括作为正极的如权利要求1所述的复合材料，作为负极的镁金属电极，电解液为溶解于二甲醚中的Mg(TFSI)2溶液。
8.如权利要求7所述的镁离子电池，其特征在于，所述镁离子电池比容量可以达到217.6mAh g-1，进行800次充放电循环后，比容量剩余191.3mAh g-1。
9.一种锌离子电池，其特征在于，包括作为正极的如权利要求1所述的复合材料，作为负极的锌金属电极，作为电解液的硫酸锌溶液。
10.如权利要求9所述的锌离子电池，其特征在于，所述锌离子电池比容量可以达到356.2mAh g-1，500次充放电循环后，比容剩余304.2mAh g-1。
...【技术特征摘要】
1.一种层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料，其特征在于，所述材料包括层间距扩大的vopo4电极与覆盖在电极表面的有机碳包覆层；其中，所述层间距扩大的vopo4电极，是以纳米片的形式堆积形成微米球的结构，纳米片的厚度为10-20nm，纳米球的直径为3-5μm；所述有机碳包覆层由三乙二醇煅烧形成；所述层间距扩大的vopo4电极与所述有机碳包覆层的质量比为10:1。
2.如权利要求1所述层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.如权利要求2所述层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述五氧化二钒与浓磷酸溶液的质量体积比为1g：(4.9-6.8)ml。
4.如权利要求2所述层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述溶液回流反应温度为150-190℃，反应时间为15-24h。
5.如权利要求2所述层间距扩大的碳包覆vopo4复合电极材料...
【专利技术属性】
技术研发人员：张以河，张家赫，张晓俊，崔守航，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：
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