一種常溫液相攪拌法製備花狀Cu3V2O8材料的方法及製備的Cu3V2O8材料與流程
2023-04-28 02:41:07 2
本發明屬於電池的電極材料技術領域，涉及一種Cu3V2O8材料的製備方法，特別涉及一種常溫液相攪拌法製備花狀Cu3V2O8材料的方法及製備的Cu3V2O8材料。
背景技術：
具有層狀結構的釩酸銅材料在嵌入/脫嵌鋰離子過程中可以進行多步還原(Cu2+/Cu+及Cu+/Cu0)，被認為是具有潛在應用價值的鋰離子電池負極材料[Cheng F,Chen J.Transition metal vanadium oxides and vanadate materials for lithium batteries[J].Journal of Materials Chemistry,2011,21(27):9841-9848.].Cu3V2O8作為鋰離子電池負極材料具有成本低、比容量高、能量密度高等優點，有望極大地提高鋰離子電池負極材料的電性能
Cu3V2O8的合成方法主要是高溫固相法。Hillel等以氧化銅和五氧化二釩為原料，在700℃下保溫72h製得Cu3V2O8材料[Hillel T,Ein-Eli Y.Copper vanadate as promising high voltage cathodes for Li thermal batteries[J].Journal of Power Sources,2013,229:112-116]。袁朝軍等同樣以該方法製得純相Cu3V2O8材料[袁朝軍楊少華,曹曉暉,等.LiSi/LiNO3-KNO3/Cu3V2O8熱電池放電性能的研究[J].電源技術,2015,39(7):1479-1481.]。從中可以看出，高溫固相法雖然合成操作簡單，但需要長時間高溫處理，這無疑會增加能耗，在實際生產中，會使得成本急劇增加，且產物形貌無法控制，會對產物的電化學性能產生影響。所以該方法難以實現大規模工業化生產。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種常溫液相攪拌法製備花狀Cu3V2O8材料的方法及製備的Cu3V2O8材料，該方法採用硬模板-室溫液相攪拌法，通過原位刻蝕生長技術，製備出具有良好的電化學性能的花狀Cu3V2O8材料，該方法操作簡單，重複性高，生產成本低，適合工業化生產。
為了達到上述目的，本發明採用的技術方案如下：
一種常溫液相攪拌法製備花狀Cu3V2O8材料的方法，包括以下步驟：
1)將氧化亞銅分散於去離子水中，形成均勻的懸浮液A，然後加入偏釩酸銨粉體加入，攪拌均勻，得到懸浮液B；其中，氧化亞銅與偏釩酸銨的質量比為0.125g：0.102g；
2)調節懸浮液B的pH值為5.0～10，然後攪拌均勻形成反應前驅液；
3)將反應前驅液在室溫下攪拌下進行反應10～60h；
4)反應結束後，將沉澱抽濾、洗滌、烘乾，所得粉體即為花狀Cu3V2O8材料。
本發明進一步的改進在於，所述的步驟1)中偏釩酸銨為分析純。
本發明進一步的改進在於，所述的步驟1)中通過磁力攪拌0.2～5h形成均勻的懸浮液A。
本發明進一步的改進在於，所述的步驟1)中氧化亞銅與去離子水的比為0.125g：80mL。
本發明進一步的改進在於，所述的步驟2)中攪拌時間為0.5～2h。
本發明進一步的改進在於，所述的步驟2)中採用氨水調節pH值。
本發明進一步的改進在於，所述的步驟4)中的洗滌具體是用去離子水和無水乙醇分別洗滌4～6次。
本發明進一步的改進在於，所述的步驟4)中的烘乾的是50～100℃，時間為2～12h。
一種花狀Cu3V2O8材料，該Cu3V2O8材料是由厚度20～30nm的納米片構成的0.8～1.2um的薄片，自組裝而成的直徑1.0～1.5um的花狀形貌。
與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：
本發明方法採用液相攪拌法，以氧化亞銅作為銅源和模板劑，氨水作為刻蝕劑，通過原位刻蝕生長，在室溫下，只需要簡單的攪拌，即可製備出花狀Cu3V2O8材料。該方法採用硬模板-室溫液相攪拌法，由於本發明在室溫下即可進行反應，避免了高溫固相法採用高溫帶來的耗能問題，以及形貌無法控制的問題。該方法原料易得，工藝設備非常簡單，無需複雜設備，可在常溫常壓下製備出所需材料，安全性好，可行性強，所以非常經濟、實用，具有很好的工業化前景。
本發明製備的Cu3V2O8材料是由厚度為20～30nm的納米片構成的0.8～1.2um的薄片，自組裝而成的直徑約1.0～1.5um的花狀形貌。由於本發明製備的Cu3V2O8材料為納米級粉體，花狀形貌使該材料具有較大的比表面積，有助於縮短充放電過程中鋰離子的擴散路徑，提高其倍率性能和循環性能。同時也可以有效的增加其與電解液的接觸面積，從而具有優異的電化學性能。
附圖說明
圖1為本發明製備的Cu3V2O8材料的X射線衍射圖；
圖2為本發明製備的Cu3V2O8材料的10.0K掃描電鏡形貌圖；
圖3為本發明製備的Cu3V2O8材料的50K掃描電鏡形貌圖。
具體實施方式
實施例1
1)稱取0.125g新製備的氧化亞銅(Cu2O)分散於80mL去離子中，磁力攪拌0.5h，得到懸浮液A，然後加入0.102g分析純的偏釩酸銨(NH4VO3)粉體，磁力攪拌2h，得到懸浮液B；
2)用氨水調節懸浮液B的pH值為7.0，然後繼續磁力攪拌0.5h形成反應前驅液；
3)將反應前驅液在室溫下攪拌30h進行反應；
4)反應結束後，將沉澱抽濾、用去離子水和無水乙醇分別洗滌4～6次，在60℃下烘乾10h，所得粉體即為花狀Cu3V2O8材料。
從圖1可以看出，所製備的釩酸銅為Cu3V2O8，其衍射峰與標準卡片(JCPDS No.74-1503)的標準峰相吻合，無明顯的雜質。
從圖2和圖3可以看出，該Cu3V2O8材料是由粒徑為20～30nm的顆粒構成的0.8～1.2um的薄片，自組裝而成的直徑約1.0～1.5um的花狀形貌。其中納米片的厚度為20～30nm。
實施例2
1)將新製備的氧化亞銅分散於去離子水中，磁力攪拌2h，形成均勻的懸浮液A，然後加入分析純的偏釩酸銨粉體加入，攪拌2h，得到懸浮液B；其中，氧化亞銅、偏釩酸銨與去離子水的比為0.125g：0.102g：80mL；
2)採用氨水調節懸浮液B的pH值為5.0，然後攪拌1h，形成反應前驅液；
3)將反應前驅液在室溫下攪拌下進行反應10h；
4)反應結束後，將沉澱抽濾、去離子水和無水乙醇分別洗滌4次，在50℃下烘乾12h，所得粉體即為花狀Cu3V2O8材料。
實施例3
1)將新製備的氧化亞銅分散於去離子水中，磁力攪拌3h，形成均勻的懸浮液A，然後加入分析純的偏釩酸銨粉體加入，攪拌1h，得到懸浮液B；其中，氧化亞銅、偏釩酸銨與去離子水的比為0.125g：0.102g：80mL；
2)採用氨水調節懸浮液B的pH值為10，然後攪拌1.5h，形成反應前驅液；
3)將反應前驅液在室溫下攪拌下進行反應60h；
4)反應結束後，將沉澱抽濾、去離子水和無水乙醇分別洗滌5次，在100℃下烘乾2h，所得粉體即為花狀Cu3V2O8材料。
實施例4
1)將新製備的氧化亞銅分散於去離子水中，磁力攪拌5h，形成均勻的懸浮液A，然後加入分析純的偏釩酸銨粉體加入，攪拌0.5h，得到懸浮液B；其中，氧化亞銅、偏釩酸銨與去離子水的比為0.125g：0.102g：80mL；
2)採用氨水調節懸浮液B的pH值為6，然後攪拌2h，形成反應前驅液；
3)將反應前驅液在室溫下攪拌下進行反應50h；
4)反應結束後，將沉澱抽濾、去離子水和無水乙醇分別洗滌6次，在80℃下烘乾6h，所得粉體即為花狀Cu3V2O8材料。
本發明製備的Cu3V2O8材料是由厚度20～30nm的納米片構成的0.8～1.2um的薄片，自組裝而成的直徑1.0～1.5um的花狀形貌。