C電極材料及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容器作為一種新型貯能元件具有高功率、長(zhǎng)壽命等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、UPS(不間斷電源系統(tǒng))以及電動(dòng)車用的混合電源系統(tǒng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。超級(jí)電容器根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理的不同，分為炭基超級(jí)電容器(雙電層電容器)和以金屬氧化物及導(dǎo)電聚合物為電極材料的準(zhǔn)電容電容器。炭基超級(jí)電容器能量密度較低，為3?7Wh/kg。提高超級(jí)電容器的能量密度是亟待解決的科學(xué)難題，為了提高其能量密度，人們開始研究非對(duì)稱超級(jí)電容器。非對(duì)稱超級(jí)電容器將類似電池的法拉第電極(作為能量源)和電容電極(作為功率源)結(jié)合起來，從而可以提高電容器的能量密度。
[0003]常見的非對(duì)稱超級(jí)電容器以氧化物或嵌入化合物為正極，炭電極為負(fù)極；或者，正極為炭電極，負(fù)極為氧化物或嵌入化合物；此外，還有正極為氧化物或嵌入化合物，負(fù)極為氧化物(Mn02，a -Fe2O3)方面的報(bào)道。
[0004]超級(jí)電容器的準(zhǔn)電容有三種機(jī)理:在電極表面離子的單層吸附，如金屬的欠電位沉積；表面或近表面的可逆氧化還原反應(yīng)；以及近年人們提出的在不引起相變情況下的離子嵌入。第三種機(jī)理產(chǎn)生的準(zhǔn)電容被定義為嵌入準(zhǔn)電容，它要求材料有一個(gè)晶體網(wǎng)絡(luò)，能提供二維的傳輸路徑，并且在嵌入過程中無相變。通常這種結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，離子能嵌入到層間間隙(范德華間隙)。目前，基于嵌入準(zhǔn)電容的電極材料有正交晶系Nb2O5(T-Nb2O5)、a -MoO3,它們均為正極材料。
[0005]由此可見，以嵌入準(zhǔn)電容為負(fù)極的非對(duì)稱超級(jí)電容器在國(guó)內(nèi)外尚無相關(guān)的報(bào)道，由于準(zhǔn)電容具有高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，因此，預(yù)期以嵌入準(zhǔn)電容為負(fù)極的非對(duì)稱超級(jí)電容器具有比常規(guī)非對(duì)稱超級(jí)電容器更高的能量密度。然而，目前有關(guān)制備二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料的技術(shù)信息現(xiàn)有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種操作步驟簡(jiǎn)單，適用于擴(kuò)大化生產(chǎn)的二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料及其制備方法與應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0008]—種二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料的制備方法，該方法首先通過高溫固相法制備二維碳化物晶體V2AlC,再采用HF溶液浸蝕V2AlC,將二維碳化物晶體V2AlC中的Al原子層刻蝕掉，即制得所述的二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料。
[0009]—種二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料的制備方法，該方法具體包括以下步驟:
[0010](I)在惰性氣體氛圍中，將釩粉、鋁粉及石墨粉按物質(zhì)的量比為2: (1-1.5):1 —起加入到球磨罐中，球磨混合3-6h，制得前驅(qū)體混料；
[0011](2)將前驅(qū)體混料轉(zhuǎn)移至管式爐中，通入惰性氣體，管式爐以4-6°C /min升溫至1300-1600°C，恒溫處理2-5h，即制得二維碳化物晶體V2AlC ；
[0012](3)將二維碳化物晶體V2AlC置于HF溶液中，浸蝕60_120h，過濾，洗滌，干燥，即制得所述的二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料。
[0013]所述的球磨罐中的球料比為(1-2):1。
[0014]優(yōu)選地，所述的管式爐以5°C /min升溫至1500°C，恒溫處理4h。
[0015]所述的HF溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-30%。
[0016]優(yōu)選地所述的二維碳化物晶體V2AlC在HF溶液中的浸蝕時(shí)間為90h。
[0017]所述的釩粉、鋁粉及石墨粉的純度均為分析純。
[0018]所述的石墨粉為人造石墨粉。
[0019]—種采用所述的方法制備得到的二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料。
[0020]所述的二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料用于制備超級(jí)電容器。
[0021]本發(fā)明制得的V2C電極材料在進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試時(shí)，以V2C為研究電極，以3X5cm2大小的鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，測(cè)試系統(tǒng)為CHI660C電化學(xué)工作站。電位區(qū)間為-1.05?-0.55V。電解液為IM的L1H、NaOH和KOH水溶液。
[0022]本發(fā)明中，采用高溫固相法制備而成的V2AlC是一種三元層狀化合物，其晶相中，V原子層與Al原子層交替排列，形成近密堆積六方層狀結(jié)構(gòu)，C原子則填充于八面體空隙。由于V-Al鍵相對(duì)于V-C鍵作用力較弱，因此，在HF溶液中，Al原子層易于被刻蝕，剩下的V原子層與C原子層形成二維層狀結(jié)構(gòu)。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用高溫固相法制備V2AlC,再通過HF浸蝕V2AlC,制備V2C電極材料，制備而成的V2C電極材料為二維層狀結(jié)構(gòu)，可以通過嵌入準(zhǔn)電容貯能，能有效提高超級(jí)電容器的電化學(xué)性能，同時(shí)，本發(fā)明制得的V2C電極材料在堿性L1H水溶液中具有較高的比電容，電化學(xué)穩(wěn)定性好，可應(yīng)用在高穩(wěn)定性，高功率密度電源的場(chǎng)合。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明制得的V2AlC的XRD圖譜；
[0025]圖2為本發(fā)明制得的V2C電極材料的XRD圖譜；
[0026]圖3為濃度為IM的三種不同電解液中V2C電極片的CV曲線圖(掃描速率為5mV/s)；
[0027]圖4為濃度為IM的三種不同電解液中V2C電極片的恒電流充放電曲線圖；
[0028]圖5為濃度為IM的三種不同電解液中V2C電極片的交流阻抗圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0030]實(shí)施例1:
[0031]本實(shí)施例二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料采用以下步驟制備而成:
[0032](I)在惰性氣體氛圍中，將釩粉、鋁粉及石墨粉按物質(zhì)的量比為2:1.3:1 一起加入到球磨罐中，球磨罐中的球料比為1:1，球磨混合6h，制得前驅(qū)體混料；
[0033](2)將前驅(qū)體混料轉(zhuǎn)移至管式爐中，通入惰性氣體，管式爐以5°C /min升溫至1500°C，恒溫處理4h，即制得二維碳化物晶體V2AlC ；
[0034](3)將二維碳化物晶體V2AlC置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %的HF溶液中，浸蝕90h，過濾，洗滌，干燥，即制得所述的二維層狀結(jié)構(gòu)V2C電極材料。
[0035]其中，釩粉、鋁粉及石墨粉的純度均為分析純，石墨粉為人造石墨粉。
[0036]按照配KV2C:導(dǎo)電劑(炭黑):PTFE(聚四氟乙烯)=85%:10%:5%，將上述三種材料依次放入小燒杯中，再加入適量乙醇并在磁力攪拌裝置上攪拌，直至其變稠。取泡沫鎳，稱其質(zhì)量，并用刀片將漿料均勻涂在泡沫鎳表面上，再分別測(cè)定其質(zhì)量，用臺(tái)式壓片機(jī)壓片，將壓完片的泡沫鎳電極片放入真空烘箱內(nèi)烘干(80°C)。以V2C為研究電極，以3X5cm2大小的鉑片為輔助電極，飽和甘