一种磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的原位合成方法及其应用与流程

本发明涉及钠离子电池材料领域，具体涉及一种磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的原位合成方法及其应用。

背景技术：

锂离子电池具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长和毒性小等诸多的优点，广泛应用于手机、笔记本电脑等电子设备。钠与锂属于同一主族，具有相似的理化性质，且电池的充放电原理基本一致。与锂资源相比，钠的储存量更丰富、成本更低，因此钠离子电池更有潜力取代锂离子电池用于储能领域中。钠离子电池正极材料中，层状过渡金属氧化物和聚阴离子型化合物的性能较好。磷酸矾钠具有典型的nasicon结构，na离子导电性好，在脱嵌过程中体积变化小，电压平台适中（3.4v），理论比容量高、热稳定性好，是很有前景的钠离子电池正极材料。但是na3v2（po4）3较低的离子电导率使其达到理论容量还是比较困难的。

目前还没有原位磷酸钒钠纳米片-碳-石墨烯纳米复合材料的合成方法的相关报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的原位合成方法及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的原位合成方法，包括以下步骤：

1）将含有石墨烯的悬浊液加入dmf中，水浴加热至75-85℃，再依次加入v2o5、nah2po4、h2c2o4·h2o以及葡萄糖，搅拌均匀后将混合液转移入反应釜中；

2）将混合液在160℃-180℃的环境下反应72-80h，然后离心，洗涤样品并收集黑色产物；

3）在氩气氛围下，将所述产物焙烧后结晶得到所述磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料。

步骤1）中所述石墨烯、dmf、v2o5、nah2po4、h2c2o4·h2o、葡萄糖的用量比为12-24mg∶20-30ml∶160-190mg∶350-380mg∶350-380mg∶1-2mmol。

步骤3)中所述产物先在330-350℃焙烧4-5小时，然后升温至700-800℃焙烧7.5-8.5小时。

本发明原位合成方法得到的磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料在钠离子电池正极材料中的应用：将磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料、乙炔黑、pvdf按将量比75-80:5-10:5-10混合研磨均匀后涂在铝箔上做正极，负极为钠片，电解质是1mnapf6的二乙二醇二甲醚溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。

本发明的有益效果在于：首次提供了一种磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的原位合成方法，由扫描电镜观察发现该复合材料中的na3v2（po4）3是由纳米片构筑形成，每片厚度约20nm，其表面包覆有石墨烯。将该磷酸矾钠-碳-石墨烯纳米复合材料作为钠离子电池正极材料，结果表明其具有优异的倍率充放电性能和良好的循环稳定性。在0.1a/g下其容量可达110mah/g,0.2a/g时容量基本与0.1a/g的一致，在1a/g的大电流充放电下，其容量仍可达98mah/g，充分说明其具有非常优异的倍率性能。

附图说明

图1是磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的的xrd图；

图2是磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的扫描电镜图；

图3是磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的倍率图。

具体实施方式

实施例1

一种磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的原位合成方法，包括以下步骤：

1）将含18mg石墨烯的悬浊液加入25mldmf中，水浴加热至80℃，再依次加入175mgv2o5、365mgnah2po4、365mgh2c2o4·h2o以及1.5mmol葡萄糖，将所得混合液搅拌均匀后转移入反应釜中；

2）将混合液在170℃的环境下反应72h，然后离心，洗涤样品并收集黑色产物；

3）在氩气氛围下，将所述产物先在350℃焙烧4小时，然后升温至750℃焙烧8小时后结晶得到所述磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料。

钠离子电池组装：将上述磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料、乙炔黑、pvdf按将量比80:10:10混合研磨均匀后涂在铝箔上做正极，负极为钠片，电解质是1mnapf6的二乙二醇二甲醚溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。

图1是合成的复合材料的的xrd图，由图1可知，所合成的材料为na3v2（po4）3（jcpds53-0018）。

图2是磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的扫描电镜图，可见该复合材料中的na3v2（po4）3是由纳米片构筑形成，每片厚度约20nm，其表面包覆有石墨烯。

将该磷酸矾钠-碳-石墨烯纳米复合材料作为钠离子电池正极材料，如图3所示在0.1a/g下其容量可达110mah/g,0.2a/g时容量基本与0.1a/g的一致，在1a/g的大电流充放电下，其容量仍可达98mah/g，充分说明其具有非常优异的倍率充放电性能和良好的循环稳定性。

实施例2

一种磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的原位合成方法，包括以下步骤：

1）将含12mg石墨烯的悬浊液加入20mldmf中，水浴加热至75℃，再依次加入160mgv2o5、350mgnah2po4、350mgh2c2o4·h2o以及1mmol葡萄糖，将所得混合液搅拌均匀后转移入反应釜中；

2）将混合液在160℃的环境下反应80h，然后离心，洗涤样品并收集黑色产物；

3）在氩气氛围下，将所述产物先在330℃焙烧5小时，然后升温至700℃焙烧8.5小时后结晶得到所述磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料。

钠离子电池组装：将磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料、乙炔黑、pvdf按将量比75:10:15混合研磨均匀后涂在铝箔上做正极，负极为钠片，电解质是1mnapf6的二乙二醇二甲醚溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。

实施例3

一种磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的原位合成方法，包括以下步骤：

1）将含24mg石墨烯的悬浊液加入30mldmf中，水浴加热至85℃，再依次加入190mgv2o5、380mgnah2po4、380mgh2c2o4·h2o以及2mmol葡萄糖，将所得混合液搅拌均匀后转移入反应釜中；

2）将混合液在160℃℃的环境下反应72h，然后离心，洗涤样品并收集黑色产物；

3）在氩气氛围下，将所述产物先在350℃焙烧4小时，然后升温至800℃焙烧7.5小时后结晶得到所述磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料。

钠离子电池组装：将磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料、乙炔黑、pvdf按将量比80:10:10混合研磨均匀后涂在铝箔上做正极，负极为钠片，电解质是1mnapf6的二乙二醇二甲醚溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种磷酸钒钠‑碳‑石墨烯纳米复合材料的原位合成方法及其应用。所述方法包括以下步骤：1）将含有石墨烯的悬浊液加入DMF中，水浴加热至75‑85℃，再依次加入V2O5、NaH2PO4、H2C2O4·H2O以及葡萄糖，搅拌均匀后将混合液转移入反应釜中；2）将混合液在160℃‑180℃的环境下反应72‑80h，然后离心，洗涤样品并收集黑色产物；3）在氩气氛围下，将所述产物焙烧后结晶得到所述磷酸钒钠‑碳‑石墨烯纳米复合材料。该复合材料中的Na3V2（PO4）3是由纳米片构筑形成，其表面包覆有石墨烯。将该磷酸矾钠‑碳‑石墨烯纳米复合材料作为钠离子电池正极材料，结果表明其具有优异的倍率充放电性能和良好的循环稳定性。

技术研发人员：洪振生;黄欣;康美玲;黄锦贤
受保护的技术使用者：福建师范大学
技术研发日：2019.01.22
技术公布日：2019.05.17