碳包覆的磷酸釩鉀的製備方法及其應用與流程
2023-05-01 14:03:56
本發明涉及電池材料技術領域，具體地說，涉及一種碳包覆的磷酸釩鉀的製備方法以及在電池材料上的應用。
背景技術：
能源消耗是現代社會發展的重要特徵，而高效的儲能系統則是可再生能源工業、消費電子產業、交通行業的核心支柱。在諸多儲能方式中，鋰離子電池以質量輕、容量高和無記憶效應等優點，在當今儲能工業佔據核心地位。由於鋰離子電池高能量密度和良好的循環性能，使其使用從可攜式電子設備擴展到電動汽車和混合動力電動汽車。然而，鋰資源的稀缺而且分布不均，加上日益增長的消費使其成本不斷攀升，從而限制了其廣泛的大規模應用。
據報導日本東京理科大學駒場慎一教授等人在新一代鉀離子電池技術的研發中找到了突破口，研究人員使用石墨電極在不降低性能的情況下成功實現了多次充放電，使用該技術的新型電池有望比鋰離子電池的充放電速度提高10倍，並且可對應高強度電流，輸出更大電力。
隨著研究的深入，逐漸發現磷酸鹽體系電極材料不僅成本低，而且具有很好的儲鈉性能，是一類較好的鈉離子電池正極電極材料。但磷酸鹽材料由於磷酸根的誘導作用導致其導電性較差，使其徒有高容量卻很難完全發揮出來，就需要我們通過導電物質的原位包覆，以提高其電子導電率，改善其電化學性能。磷酸釩鋰和磷酸釩鈉分別作為鋰離子和鈉離子電池的電極材料已經被廣泛研究，且磷酸釩鉀與兩者具有相近的比例及結構，且由於鉀離子的嵌入，直接增大了該材料的離子擴散通道，因此理論上其作為鉀離子電池正極電極材料應具有較大的潛力。
技術實現要素：
本發明的一目的在於提供一種碳包覆的磷酸釩鉀的製備方法。
本發明公開的碳包覆的磷酸釩鉀的製備方法所採用的技術方案是：
一種碳包覆的磷酸釩鉀的製備方法，包括以下步驟：
S1將偏釩酸銨、檸檬酸、磷酸二氫鉀加入至去離子水中，攪拌均勻得到混合溶液；
S2將混合溶液冷凍乾燥得到前驅體；
S3前驅體在氬氣、氫氣的混合氣體中煅燒，煅燒溫度為500至1200℃，得到黑色固體為碳包覆的磷酸釩鉀。
作為優選方案，在步驟S1中，所述偏釩酸銨、檸檬酸和磷酸二氫鉀的摩爾比為1：（1～5）：（1～5），所述偏釩酸銨的摩爾量(mol)與去離子水的體積(L)之比為1：（1～5）。
作為優選方案，在步驟S1中，所述偏釩酸銨、檸檬酸和磷酸二氫鉀的摩爾比為1：1：1.5，所述偏釩酸銨的摩爾量(mol)與去離子水的體積(L)之比為1：4。
作為優選方案，在步驟S2中，混合溶液冷凍乾燥12～72小時。
作為優選方案，在步驟S2中，混合溶液冷凍乾燥48小時。
作為優選方案，在步驟S3中，前驅體的煅燒時間為3～48小時。
作為優選方案，在步驟S3中，前驅體的煅燒溫度為900℃，煅燒時間為12小時。
本發明公開的碳包覆的磷酸釩鉀的製備方法的有益效果是：操作簡便，反應過程中無有害氣體產生、不會造成汙染，且產生的碳包覆的磷酸釩鉀具有均一形貌，物相單一。
本發明的另一目的在於提供碳包覆的磷酸釩鉀的一種新應用，用作鉀離子電池的正極材料，具有良好的容量保持性能。
附圖說明
圖1是本發明碳包覆的磷酸釩鉀的製備方法製成的碳包覆的磷酸釩鉀的掃描電鏡圖；
圖2是本發明碳包覆的磷酸釩鉀的製備方法製成的碳包覆的磷酸釩鉀的X射線衍射圖譜；
圖3是碳包覆的磷酸釩鉀製成的電極片在2.5～4.3 V的電壓窗口下以0.2 mV s-1 的掃速下CV曲線；
圖4是碳包覆的磷酸釩鉀製成的電極片在2.5～4.3V的電壓窗口下以20 mA/g電流密度測試時不同圈數的充放電曲線；
圖5是碳包覆的磷酸釩鉀製成的電極片在2.5～4.3V的電壓窗口下以20 mA/g電流密度測試時的循環性能。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明做進一步闡述和說明：
一種碳包覆的磷酸釩鉀的製備方法，包括以下步驟：
S1將偏釩酸銨、檸檬酸、磷酸二氫鉀以摩爾比為1：（1～5）：（1～5）進行混合，按偏釩酸銨的摩爾量（mol）與去離子水的體積（L）之比為1：（1～5），將偏釩酸銨、檸檬酸、磷酸二氫鉀加入至去離子水中，攪拌均勻得到混合溶液；
S2將混合溶液冷凍乾燥12～72小時得到前驅體；
S3在體積比為92：8的氬氣和氫氣的混合氣體中，前驅體以煅燒溫度為500至1200℃進行煅燒，煅燒時間為3～48小時，得到黑色固體為碳包覆的磷酸釩鉀。
實施例
稱取0.01mol的偏釩酸銨、0.01mol的檸檬酸、0.015mol的磷酸二氫鉀，加入40mL的去離子水中，攪拌均勻得到混合溶液，將混合溶液冷凍乾燥48小時得到前驅體，在氫氣體積分數為8%的氫氣和氬氣的混合氣體中，以900℃溫度進行煅燒12小時，得到黑色固體，即為碳包覆的磷酸釩鉀。
請參考圖1上述製備的碳包覆的磷酸釩鉀的掃描電鏡圖，可見，碳包覆的磷酸釩鉀具有三維多孔結的形貌。請參考圖2上述製備的碳包覆的磷酸釩鉀的X射線衍射圖譜，由圖2可看出，能與標準卡片完全吻合，無明顯雜峰，物相純淨。
將所得產物碳包覆的磷酸釩鉀與導電乙炔黑、粘結劑PVDF按質量比80:10:10混合，加入一定量1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），充分研磨成糊狀，將其均勻塗布在直徑14 mm、厚約9μm 的銅箔上，然後將銅箔在120℃ 溫度條件下真空乾燥12小時，冷卻後，取出製作成電極備用；將上步電極片轉移至充滿氬氣的手套箱中，採用CR2025型扣式電池殼，直徑16mm 金屬鉀片作為負電極，Celgard 2325型聚丙烯薄膜作為隔膜，溶解有1 M KPF6的EC和DEC（體積比1:1）的混合液作為電解液，組裝完成的電池靜置10h待測；性能測試在Land 測試系統上進行。請參考圖3碳包覆的磷酸釩鉀製成的電極片在2.5～4.3 V的電壓窗口下以0.2 mV s-1 的掃速下CV曲線，由圖可看出，CV曲線具有明顯的氧化還原峰。請參考圖4碳包覆的磷酸釩鉀製成的電極片在2.5～4.3V的電壓窗口下以20 mA/g電流密度測試時不同圈數的充放電曲線，由圖4可看出，碳包覆的磷酸釩鉀首圈的放電容量為55 mAh g-1，在3.88V 與3.60 V左右有明顯的放電平臺。請參考圖5碳包覆的磷酸釩鉀製成的電極片在2.5～4.3V的電壓窗口下以20 mA/g電流密度測試時的循環性能，在循環200 圈之後仍有不錯的循環穩定性。
最後應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明保護範圍的限制，儘管參照較佳實施例對本發明作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和範圍。