片狀釩酸鉀材料組裝環(huán)保水溶液鋰離子電池體系的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋰離子電池應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微米級(jí)片狀釩酸鉀材料組裝新型環(huán)保水溶液鋰離子電池體系的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種水溶液鋰離子電池體系(簡(jiǎn)稱“水鋰電”)，采用無機(jī)水溶液代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋰離子電池的有機(jī)電解液，水鋰電的優(yōu)點(diǎn):①其消除了因有機(jī)電解液與電極材料反應(yīng)導(dǎo)致的安全隱患，②水溶液電解液的導(dǎo)電率比有機(jī)電解液高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在動(dòng)力用能源領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。
[0003]釩酸鉀材料多用于催化劑、催干劑、媒染劑、存儲(chǔ)元件等領(lǐng)域，但是將微米級(jí)片狀形貌的釩酸鉀材料用于水溶液鋰離子電池體系的報(bào)道甚少。水熱反應(yīng)液相法和固相燒結(jié)法結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)溫和，無污染，溫度易于控制，反應(yīng)過程對(duì)人體無毒害，反應(yīng)體系中不含有毒成分。除此之外，片狀釩酸鉀材料用于組裝新型環(huán)保水溶液鋰離子電池體系及其電化學(xué)性能鮮見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種片狀釩酸鉀材料組裝環(huán)保水溶液鋰離子電池體系的方法。該方法組裝的水鋰電體系對(duì)環(huán)境友好，是綠色電池，并且具有與傳統(tǒng)鋰離子電池不同的電化學(xué)特性:即其高倍率容量高于低倍率容量;表明其在高功率、高安全性和動(dòng)力用領(lǐng)域中具有較大應(yīng)用潛力。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的:
[0006]片狀釩酸鉀材料組裝環(huán)保水溶液鋰離子電池體系的方法，包括以下步驟:
[0007]I)制備KQ.5V205的前驅(qū)體:
[0008]將KCl溶于去離子水中形成摩爾濃度為I?2mol.L—1的KCl溶液A，按照摩爾比2:1稱取碘化鉀KI材料B與五氧化二釩V2O5材料C，將B和C置于溶液A中混合，攪拌均勻后，形成橙黃色懸濁液D ；將D移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜內(nèi)，進(jìn)行200?220 °C、恒溫20?24小時(shí)的水熱反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后得到棕綠色前驅(qū)體沉淀E;將沉淀E用去離子水清洗，真空離心抽濾3次，得到物質(zhì)F;將物質(zhì)F置于55?65 °C干燥箱中干燥1?12小時(shí)，得到KQ.5V205的前驅(qū)體G;
[0009]2)合成 1(().5￥205材料
[0010]將Kq.5V2O5的前驅(qū)體G置于瓷舟，放入Fe-Cr-Al絲臥式電阻爐中進(jìn)行熱處理:氬氣氣氛中，550?600°C下恒溫5?6小時(shí)后，隨爐冷卻，得到微米級(jí)片狀K0.5V205#料；
[0011]3)制備電極片:
[0012]按質(zhì)量百分比為80:10:10或者85:10:5稱取K0.5V205、乙炔黑或石墨、聚偏二氟乙烯;將聚偏二氟乙烯溶解在除水的N-甲基吡咯烷酮中，得到溶液Pl;將KQ.5V205和乙炔黑或石墨混合，加入到溶液Pl中，得到黑色漿料Ql;按質(zhì)量百分比為80:10:10或者85:10:5稱取錳酸鋰LiMn204、乙炔黑或石墨、聚偏二氟乙烯;將聚偏二氟乙烯溶解在除水的N-甲基吡咯烷酮中，得到溶液P2;將LiMn2O4和乙炔黑或石墨混合，加入到溶液P2中，得到黑色漿料Q2;分別將黑色漿料Ql、Q2用刮粉刀涂在鎳網(wǎng)上，在真空條件下85?100°C干燥8?10小時(shí)，分別得到K0.5V205電極片和LiMn2O4電極片；
[0013]4)配制水溶液電解液:
[0014]將硝酸鋰溶解在去離子水中得到飽和硝酸鋰溶液H，然后用飽和氫氧化鋰水溶液調(diào)節(jié)溶液H的pH值等于7，作為電解液；
[0015]5)組裝電池:
[ΟΟ??]以KQ.5V2O5電極片為負(fù)極，LiMmCk電極片為正極，裝在20?30暈升電解液的燒杯中，正、負(fù)極片分別浸入電解液中并保持0.5?I厘米的間距，得到水溶液鋰離子電池體系。
[0017]步驟I)中，所述KCl的摩爾濃度為I?2mol.L—1。
[0018]所述硝酸鋰水溶液電解液經(jīng)過除氧處理。
[0019]對(duì)水溶液鋰離子電池體系進(jìn)行電化學(xué)容量測(cè)試、倍率性能測(cè)試和循環(huán)性能測(cè)試。
[0020]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021 ]本發(fā)明一是結(jié)合液相法和固相法制備微米級(jí)片狀K0.5V205作為水鋰電體系的負(fù)極材料;二是利用除氧處理后的無機(jī)硝酸鋰水溶液替代常用鋰鹽的有機(jī)二元(或多元)電解液用于組裝新型水溶液鋰離子電池的電解液;易于控制、操作簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)有機(jī)電解液鋰離子電池相比，本發(fā)明中的水溶液離子電池徹底解決了安全隱患，不必在苛刻的手套箱環(huán)境、嚴(yán)格控制其濕度及保護(hù)氣氛下組裝電池，無機(jī)鹽水溶液電解液廉價(jià)、且其離子電導(dǎo)率比有機(jī)電解液的離子導(dǎo)電率高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。更加重要的是該水鋰電體系對(duì)環(huán)境友好，是真正的綠色能源電池。
[0022]本發(fā)明制備的微米級(jí)片狀KtL5V2O5負(fù)極材料組裝水溶液鋰離子電池體系的高倍率放電容量高于低倍率放電容量，異于傳統(tǒng)鋰離子電池的高倍率容量低于低倍率容量，更有利于動(dòng)力電池領(lǐng)域中高倍率下放電容量更高的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0023]圖1 為Ktx5V2O5的 XRD圖譜。
[0024]圖2為Ktx5V2O5的掃描電子顯微鏡圖像(SEM)。
[0025]圖3為1(().5￥205//1^]\111204水鋰電體系在1^腸3水溶液電解液中，分別在100、500、I OOOmA下的充放電曲線。
[0026]圖4為1(().5￥205//1^]\111204水鋰電體系在1^腸3水溶液電解液中，分別在100、500、100mA下的循環(huán)性能曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0027]參照?qǐng)D1所示，圖中XRD中標(biāo)出的(001)、(002)、(003)、(004)、(006)和(008)為材料的晶面指數(shù)，說明按照本發(fā)明所述方法合成的材料為K0.5V205材料。
[0028]參照?qǐng)D2所示，SEM照片表明按照本發(fā)明所述方法合成的K0.5V205材料，其微觀表面形貌為薄片狀。
[0029]參照?qǐng)D3所示，K0.5V205//LiMn204水鋰電體系在LiNO3水溶液電解液中，分別在100、500、I OOOmA下的電壓-容量曲線。
[0030]參照?qǐng)D4所示，K0.5V205//LiMn204水鋰電體系在LiNO3水溶液電解液中，分別在100、500、100mA下的循環(huán)性能曲線，可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，K0.5V205//LiMn2047K鋰電體系表現(xiàn)出高倍率放電容量高于低倍率放電容量的特性。
[0031]實(shí)施例1:
[0032]I)制備KQ.5V2O5的前驅(qū)體:
[0033]將KCl溶于去離子水中形成摩爾濃度為Imol.L—1的KCl溶液A，按照摩爾比2:1稱取碘化鉀(KI)材料B與五氧化二釩(V2O5)材料C，將B和C置于溶液A中混合，攪拌均勻后，形成橙黃色懸濁液D;將D移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜內(nèi)，進(jìn)行200°C、恒溫20小時(shí)的水熱反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后得到棕綠色前驅(qū)體沉淀E;將沉淀E用去離子水清洗，真空離心抽濾3次，得到物質(zhì)F;將物質(zhì)F置于55 °C干燥箱中干燥1小時(shí)，得到K0.5V2O5的前驅(qū)體G;
[0034]2)合成^205材料
[0035]將KtL5V2O5的前驅(qū)體G置于瓷舟，放入Fe-Cr-Al絲電阻爐中進(jìn)行熱處理:550°C下恒溫5小時(shí)后，隨爐冷卻，得到Ktx5V2O5材料。
[0036]3)制備電極片:
[0037]按質(zhì)量百分比為80:10:10稱取K0.5V205、乙炔黑、聚偏二氟乙烯;將聚偏二氟乙烯溶解在除水的N-甲基吡咯烷酮中，得到溶液Pl;將K0.5V205和乙炔黑混合，加入到溶液Pl中，得到黑色漿料Ql;按質(zhì)量百分比為80:10:10稱取錳酸鋰LiMn2O^乙炔黑、聚偏二氟乙烯;將聚偏二氟乙烯溶解在除水的N-甲基吡咯烷酮中，得到溶液P2;將LiMn2O4和乙炔黑混合，加入到溶液P2中，得到黑色漿料Q2;分別將黑色漿料Ql、Q2用刮粉刀涂在鎳網(wǎng)上，在真空條件下85°C干燥8小時(shí)，分別得到Ktx5V2O5電極片和LiMn2O4電極片；
[0038]4)配制水溶液電解液:
[0039 ] 將硝酸鋰溶解在去離子水中得到飽和硝酸鋰溶液H，然后用飽和氫氧化鋰水溶液調(diào)節(jié)溶液H的pH值等于7，作為電解液；
[0040]5)組裝電池:
[0041 ]以K0.5V2O5電極片為負(fù)極，LiMmCk電極片為正極，裝在20?30暈升電解液的燒杯中，正、負(fù)極片分別浸入電解液中并保持0.5?I厘米的間距，得到新型水溶液鋰離子電池體系O
[0042]該KtL5V2O5組裝水溶液鋰離子電池體系在10mA下的首次放電比容量為184mAh.g'25次和50循環(huán)后的放電比容量分別為142mAh.g—1和103mAh.g一、
[0043]按照上述實(shí)施例步驟I)和步驟2)得到的釩酸鉀材料，其微觀形貌為薄片狀;按照上述實(shí)施例步驟3)?步驟)組裝的水鋰電