一种片状(NH4)2V4O9柔性锌离子电池电极材料的制备方法

一种片状(nh4)2v4o9柔性锌离子电池电极材料的制备方法
技术领域
1.本发明属于锌离子电池正极材料技术领域，涉及一种片状(nh4)2v4o9柔性锌离子电池电极材料的制备方法。


背景技术：

2.人类的发展很大程度上依赖能源的不断更新。当今社会的能源主要来自于石油，煤和天然气等化石燃料，而这些化石燃料的消耗产生的二氧化碳和其它有毒颗粒引起的温室效应和城市污染等问题越来越受到人们的重视，如何更加有效的利用现有能源，寻找绿色环保的新能源和发展新型高效的储能技术是现在科学发展的热点和难点。
3.可循环充放电的二次电池是储能技术的重要组成部分，自从索尼公司首次推出以石墨焦作为负极，以作为正极的商业化锂离子二次电池以来，经过二十多年的不断发展，锂离子电池已经成为继铅酸电池、镍铬电池、镍氧电池之后的一种重要的储能设备，广泛的应用于笔记本电脑，数码相机和手机等移动数码设备，对于电动汽车的发展也就有广阔的前景。但是由于锂资源昂贵，以及锂离子电池中的有机溶剂电解液中含有大量的有毒有害成分、易燃的特点，因此寻找一种成本较低，安全性好的储能体系就具有非常重要的意义。水系锌离子电池中电解液为水系的溶剂，负极为zn，具有一下的优点：(1)与标准氢电极相比，zn的标准氧化还原电位为
‑
0.76v，低于其他的多价金属负极；(2)高的理论比容量，zn负极理论比容量为820mah g
‑1；(3)相对较高的析氢过电位；(4)与其他高能量密度金属相比，zn在空气中化学稳定且不易燃，具有更高的安全性。
4.近年来，可穿戴电子产品的浪潮推动了柔性电子行业的大力发展，包括可穿戴柔性显示设备、电子传感器、健康检测仪、电子皮肤等引起了学术界和工业界的广泛关注，柔性可穿戴电子设备具有较大的机械灵活性，能够满足人们对于设备的形变需求。由于大多数柔性电子设备都是使用电能进行驱动，因此研发先进的具有柔、轻、薄且安全的柔性电源是柔性电子行业所面临的一大难题与挑战。对于传统的水系锌离子电池，通常是将活性材料、导电添加剂和粘结剂混合之后，将浆料涂布在集流体上制备而成，传统的电极在发生机械变形的过程中会出现活性材料开裂、脱落的问题，导致在弯曲的条件下电化学性能衰减迅速。为了将水性锌离子电池的科研成果转移到柔性电子行业，减少电极在弯曲状态下的应变，就必须合理的设计出具有柔性结构的电极材料。
5.(nh4)2v4o9材料近年来受到科研工作者的广泛关注，其具有原材料丰富、制备简单、容量高安全性能好等特点，同时也具有光催化，电传导性能。nh
4+
扩大了材料的层间距，有利于离子的嵌入和脱出，同时由于氢离子的存在也会在层间形成分子内氢键，有效提高了材料结构的稳定性，是一种具有好的发展前景的电极材料。
6.为了提高(nh4)2v4o9材料作为水系锌离子电池柔性电极的电化学性能，通过制备出片状的(nh4)2v4o9材料，与纺织材料、碳纸等柔性基底材料进行复合，应用为水系锌离子电池的正极材料，具有高柔性、高安全性的特点。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种片状(nh4)2v4o9材料应用为柔性锌离子电池电极材料时的制备方法；该方法制备的片状(nh4)2v4o9纳米晶与柔性基底材料进行复合，作为水系锌离子电池的正极材料，具有在柔性弯曲状态下，电化学性能好，循环稳定性好的特点，且该方法具有合成工艺简单，产物化学组成均一的特点。
8.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
9.步骤1，将nh4vo3均匀溶解在乙二醇和水的混合溶剂中，得到nh
4+
浓度为0.02
‑
0.2mol/l的nh4vo3溶液，标记为a溶液；
10.步骤2，取60ml的a溶液向其中加入0.1
‑
2.0ml十二烷基二甲基甜菜碱，然后用稀盐酸溶液调节ph至2
‑
6，得到b溶液；
11.步骤3，将预处理的柔性基底材料完全浸入到上述b溶液中，然后在超声环境下超声反应0.5
‑
2h；
12.步骤4，将上述浸有柔性基底材料的b溶液放置在内衬为聚四氯乙烯的反应釜中，在水热温度为100
‑
180℃下反应4
‑
8h得到悬浮液以及柔性材料；
13.步骤5，反应结束后自然冷却至室温，分别用水和乙醇将上述柔性材料交替清洗干净，然后在60
‑
90℃下真空干燥即得到片状(nh4)2v4o9柔性锌离子电池电极材料。
14.所述步骤1中的混合溶剂是乙二醇与水按1:1的体积比混合得到。
15.所述步骤1混合溶剂的温度为40
‑
60℃。
16.所述步骤2稀盐酸溶液的浓度为0.2
‑
1mol/l。
17.所述步骤3的柔性基底材料采用纸片、碳纸片或碳布。
18.所述步骤3的预处理是将柔性基底材料采用丙酮和蒸馏水交替清洗，去除灰尘杂质，之后在0.2
‑
1mol/l的盐酸溶液中浸泡，蒸馏水清洗之后烘干。
19.所述步骤3超声功率为200
‑
300w。
20.所述步骤4反应釜的填充比为50％
‑
70％。
21.所述步骤5中的真空干燥采用电热真空干燥箱。
22.本发明的有益效果是：
23.本发明通过在乙二醇与水的溶剂中发生水热反应，通过乙二醇以及十二烷基二甲基甜菜碱的辅助，来制备具有片状形貌的(nh4)2v4o9柔性电极，从而增大了电解液与电极活性材料的接触面积，增多了锌离子脱嵌的活性位点。且制备工艺简单容易控制，成本低，对环境影响小。
附图说明
24.图1为本发明实施例1所制备的片状形貌(nh4)2v4o9的xrd图谱；
25.图2为本发明实施例1所制备的片状形貌(nh4)2v4o9的sem照片。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
27.实施例1：
28.步骤1，将nh4vo3均匀溶解在40℃按1:1的体积比混合的乙二醇和水的混合溶剂中，
得到nh
4+
浓度为0.1mol/l的nh4vo3溶液，标记为a溶液；
29.步骤2，取60ml的a溶液向其中加入0.5ml十二烷基二甲基甜菜碱，然后用0.5mol/l盐酸溶液调节ph至4，得到b溶液；
30.步骤3，将柔性基底材料碳布采用丙酮和蒸馏水交替清洗，去除灰尘杂质，之后在0.5mol/l的盐酸溶液中浸泡，蒸馏水清洗之后烘干，再将柔性基底材料完全浸入到上述b溶液中，然后在超声功率为200w超声反应1h；
31.步骤4，按70％的填充比将上述浸有柔性基底材料的b溶液放置在内衬为聚四氯乙烯的反应釜中，在水热温度为130℃下反应8h得到悬浮液以及柔性材料；
32.步骤5，反应结束后自然冷却至室温，分别用水和乙醇将上述柔性材料交替清洗干净，然后在60℃下电热真空干燥箱真燥即得到片状(nh4)2v4o9柔性锌离子电池电极材料。
33.从图1所示的xrd图谱可知，本发明制得的(nh4)2v4o9晶体材料的结晶性好，纯度高，并且没有出现其他的杂相；从图2所示的sem照片可知，本发明制的nh4v3o8纳米晶体具有微米片状的形貌，并且结构较为疏松。
34.实施例2：
35.步骤1，将nh4vo3均匀溶解在50℃按1:1的体积比混合的乙二醇和水的混合溶剂中，得到nh
4+
浓度为0.05mol/l的nh4vo3溶液，标记为a溶液；
36.步骤2，取60ml的a溶液向其中加入0.8ml十二烷基二甲基甜菜碱，然后用0.2mol/l盐酸溶液调节ph至2，得到b溶液；
37.步骤3，将柔性基底材料碳纸片采用丙酮和蒸馏水交替清洗，去除灰尘杂质，之后在1mol/l的盐酸溶液中浸泡，蒸馏水清洗之后烘干，再将柔性基底材料完全浸入到上述b溶液中，然后在超声功率为200w超声反应0.5h；
38.步骤4，按50％的填充比将上述浸有柔性基底材料的b溶液放置在内衬为聚四氯乙烯的反应釜中，在水热温度为100℃下反应6h得到悬浮液以及柔性材料；
39.步骤5，反应结束后自然冷却至室温，分别用水和乙醇将上述柔性材料交替清洗干净，然后在70℃下电热真空干燥箱真燥即得到片状(nh4)2v4o9柔性锌离子电池电极材料。
40.实施例3：
41.步骤1，将nh4vo3均匀溶解在50℃按1:1的体积比混合的乙二醇和水的混合溶剂中，得到nh
4+
浓度为0.18mol/l的nh4vo3溶液，标记为a溶液；
42.步骤2，取60ml的a溶液向其中加入1.2ml十二烷基二甲基甜菜碱，然后用0.8mol/l盐酸溶液调节ph至3，得到b溶液；
43.步骤3，将柔性基底材料碳布采用丙酮和蒸馏水交替清洗，去除灰尘杂质，之后在0.4mol/l的盐酸溶液中浸泡，蒸馏水清洗之后烘干，再将柔性基底材料完全浸入到上述b溶液中，然后在超声功率为300w超声反应1.5h；
44.步骤4，按60％的填充比将上述浸有柔性基底材料的b溶液放置在内衬为聚四氯乙烯的反应釜中，在水热温度为15℃下反应4h得到悬浮液以及柔性材料；
45.步骤5，反应结束后自然冷却至室温，分别用水和乙醇将上述柔性材料交替清洗干净，然后在80℃下电热真空干燥箱真燥即得到片状(nh4)2v4o9柔性锌离子电池电极材料。
46.实施例4：
47.步骤1，将nh4vo3均匀溶解在45℃按1:1的体积比混合的乙二醇和水的混合溶剂中，
得到nh
4+
浓度为0.2mol/l的nh4vo3溶液，标记为a溶液；
48.步骤2，取60ml的a溶液向其中加入2.0ml十二烷基二甲基甜菜碱，然后用1mol/l盐酸溶液调节ph至6，得到b溶液；
49.步骤3，将柔性基底材料碳纸片采用丙酮和蒸馏水交替清洗，去除灰尘杂质，之后在0.2mol/l的盐酸溶液中浸泡，蒸馏水清洗之后烘干，再将柔性基底材料完全浸入到上述b溶液中，然后在超声功率为300w超声反应2h；
50.步骤4，按55％的填充比将上述浸有柔性基底材料的b溶液放置在内衬为聚四氯乙烯的反应釜中，在水热温度为180℃下反应8h得到悬浮液以及柔性材料；
51.步骤5，反应结束后自然冷却至室温，分别用水和乙醇将上述柔性材料交替清洗干净，然后在90℃下电热真空干燥箱真燥即得到片状(nh4)2v4o9柔性锌离子电池电极材料。
52.实施例5：
53.步骤1，将nh4vo3均匀溶解在55℃按1:1的体积比混合的乙二醇和水的混合溶剂中，得到nh
4+
浓度为0.02mol/l的nh4vo3溶液，标记为a溶液；
54.步骤2，取60ml的a溶液向其中加入0.1ml十二烷基二甲基甜菜碱，然后用0.4mol/l盐酸溶液调节ph至5，得到b溶液；
55.步骤3，将柔性基底材料纸片采用丙酮和蒸馏水交替清洗，去除灰尘杂质，之后在0.8mol/l的盐酸溶液中浸泡，蒸馏水清洗之后烘干，再将柔性基底材料完全浸入到上述b溶液中，然后在超声功率为230w超声反应2h；
56.步骤4，按65％的填充比将上述浸有柔性基底材料的b溶液放置在内衬为聚四氯乙烯的反应釜中，在水热温度为120℃下反应7h得到悬浮液以及柔性材料；
57.步骤5，反应结束后自然冷却至室温，分别用水和乙醇将上述柔性材料交替清洗干净，然后在70℃下电热真空干燥箱真燥即得到片状(nh4)2v4o9柔性锌离子电池电极材料。
58.实施例6：
59.步骤1，将nh4vo3均匀溶解在60℃按1:1的体积比混合的乙二醇和水的混合溶剂中，得到nh
4+
浓度为0.15mol/l的nh4vo3溶液，标记为a溶液；
60.步骤2，取60ml的a溶液向其中加入1.5ml十二烷基二甲基甜菜碱，然后用0.6mol/l盐酸溶液调节ph至6，得到b溶液；
61.步骤3，将柔性基底材料纸片采用丙酮和蒸馏水交替清洗，去除灰尘杂质，之后在0.6mol/l的盐酸溶液中浸泡，蒸馏水清洗之后烘干，再将柔性基底材料完全浸入到上述b溶液中，然后在超声功率为280w超声反应0.5h；
62.步骤4，按70％的填充比将上述浸有柔性基底材料的b溶液放置在内衬为聚四氯乙烯的反应釜中，在水热温度为160℃下反应5h得到悬浮液以及柔性材料；
63.步骤5，反应结束后自然冷却至室温，分别用水和乙醇将上述柔性材料交替清洗干净，然后在80℃下电热真空干燥箱真燥即得到片状(nh4)2v4o9柔性锌离子电池电极材料。