高纯相多层v2c材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种制备高纯相多层V2C材料的方法，以及高纯相多层V2C材料作为锂离子电池负极材料的应用。
背景技术
2004年，Novoselov等人石墨中成功剥离出仅由一层碳原子构成的薄片，发现石墨烯独特的电子性质后，人们开始对二维材料获得了极大的关注。2011年，Yury Gogotsi和Barsoum合作发现了一种新型的二维材料Ti3C2，从此大批MXenes材料备受人们关注。在众多MXenes材料中，由于其具有良好的电容性能和导电性及其较低的Ti-Al键能更容易制备的特性，导致其在能量储存领域中的研究最为广泛。V2C作为MXenes材料中的一员，其也拥有表面亲水性、金属导电性及优良的电化学性能，但是相对于高纯相Ti3C2的制备，高纯相多层V2C的制备非常困难。迄今为止，并没有人腐蚀出高纯相多层V2C。2013年，Michael Naguib和Yury Gogotsi等人首次将V2AlC粉体浸没到HF溶液中合成多层V2C，反应时间为90h，温度为室温。然而该方法制备的V2C通过XRD来看其结晶性不是很好，且其报告指出大约有15wt％的V2AlC未参与反应，也表示其纯度不高，通过对其电极电学性能测试，在1C电流密度下，循环稳定后可达到210mAh/g，由于纯度不高，这并未能完全体现多层V2C的优异性能。2015年，周爱国等人研究了不同温度和时间条件下，HF对V2AlC的腐蚀行为，结果表明50℃～65℃条件下，V2AlC粉体在49％HF溶液中浸泡搅拌120h不能制备出相应的V2C二维晶体；70℃下浸泡40h后，逐渐出现少量的Al2O3和V2O5，并观察到少量二维透明薄片结构，预测是V2C二维晶体，通过对结果分析，表明其未能成功制备出V2C，但是其实验探究说明了HF浓度、刻蚀温度与时间的关系对V2C制备过程的影响是尤为重要的。2020年，ZhangYajuan等人将V2AlC粉体浸没到HF溶液中，将反应温度固定到35℃，反应时间严格控制在120h，通过其SEM图像可观察到多层结构的产生，然而这种方法制备出的多层V2C，在XRD图谱显现出，V2C的特征峰与V2AlC的特征峰相比，极其微弱，表明其纯度不高，通过将此多层V2C进行电极电学性能进行测试，结果表明，在0.1A/g的电流密度下，循环稳定后的容量为241mAh/g，这是因为其纯度不高，没有完全体现出V2C电极电学性能。V2C具有稳定的结构，良好的导电性，优秀的储锂能力及其能与很多的材料进行复合的优势。
发明内容
本发明的目的是要解决现有用HF溶液刻蚀的多层V2C纯度较低，合成方法比较繁琐的问题，而提供一种能制备出高纯度的、合成方法简便的高纯相多层V2C材料的方法。
本发明高纯相多层V2C材料的制备方法按照以下步骤实现：
一、将0.6～1g V2AlC粉体放入40～60mL质量浓度为30％～50％的HF水溶液中，在室温下搅拌反应240～288小时，得到反应液；
二、将步骤一得到的反应液采用离心机在5000r/min～12000r/min下进行反复离心并且加入去离子水清洗，反复多次，离心清洗直至上清液的pH值为5～7，收集固相沉淀物；
三、对步骤二得到的固相沉淀物进行干燥处理，得到高纯相多层V2C材料。
本发明将高纯相多层V2C材料作为负极材料应用于锂离子电池中。
本发明首次采用HF溶液刻蚀出高纯相多层V2C材料，在制备时，增加HF水溶液的用量至40～60ml，同时增加化学反应时间至240～288h，反应温度为室温。反应时间和酸量的适度增加使得化学反应进行的更加活跃和完全。将高纯相多层V2C作为锂离子电池负极时，测试该多层V2C负极材料在0.1A/g的电流密度下，循环65圈后，比容量保持在333.8mAh/g，在2A/g下循环650圈，比容量保持在109.1mAh/g，表现出高比容量、循环稳定和长寿命等一系列优点。对照现有技术，本发明工艺合理，操作简便、性能优异，是一种具有应用前景的锂离子电池负极材料。
附图说明
图1为实施例一得到的高纯相多层V2C材料的XRD图；
图2为实施例一得到的高纯相多层V2C材料的EDX图；
图3为实施例一得到的高纯相多层V2C材料的SEM图；
图4为实施例一得到的高纯相多层V2C材料在0.1A/g的电流密度下充放电循环测试图，其中1—循环效率，2—放电比容量，3—充电比容量；
图5为实施例一得到的高纯相多层V2C材料在不同电流密度下充放电循环测试图，其中1—放电比容量，2—充电比容量；
图6为实施例一得到的高纯相多层V2C材料在2A/g的电流密度下充放电循环测试图，其中上方曲线代表循环效率，下方曲线代表放电比容量；
图7为实施例一得到的高纯相多层V2C材料的CV曲线测试图，其中1代表5.0mVs-1，2代表2.0mVs-1，3代表1.0mVs-1，4代表0.5mVs-1，5代表0.1mVs-1；
图8为实施例一得到的高纯相多层V2C材料的EIS图谱。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式高纯相多层V2C材料的制备方法按照以下步骤实施：
一、将0.6～1g V2AlC粉体放入40～60mL质量浓度为30％～50％的HF水溶液中，在室温下搅拌反应240～288小时，得到反应液；
二、将步骤一得到的反应液采用离心机在6000r/min～12000r/min下进行反复离心并且加入去离子水清洗，反复多次，离心清洗直至上清液的pH值为5～7，收集固相沉淀物；
三、对步骤二得到的固相沉淀物进行干燥处理，得到高纯相多层V2C材料。
本实施方式高纯相多层V2C材料是用HF溶液腐蚀出高纯相多层V2C。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述V2AlC粉体颗粒大小为200目。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中V2AlC粉体的质量与HF水溶液的体积比为1g：52～58mL。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中将0.8gV2AlC粉体放入40～50mL质量浓度为30％～50％的HF水溶液中。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一中在室温下搅拌反应250～270小时。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中采用离心机在7000r/min～9000r/min下进行反复离心。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中每次离心的时间为5分钟。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中反复6～8次。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三中固相沉淀物进行真空干燥处理，真空干燥温度为60℃，干燥时间为12h。
具体实施方式十：本实施方式将高纯相多层V2C材料作为负极材料应用于锂离子电池中。
实施例一：本实施例高纯相多层V2C材料的制备方法按照以下步骤实施：
一、将0.8g V2AlC粉体(200目)放入45mL质量浓度为40％的HF水溶液中，在室温下搅拌反应264小时，得到反应液；
二、将步骤一得到的反应液采用离心机在8000r/min下进行反复离心并且加入去离子水清洗，每次离心的时间为5分钟，每次清洗过程中都将上清液和沉淀物分离，并向沉淀物加入去离子水摇匀再离心，反复多次，离心清洗直至上清液的pH值为6，收集固相沉淀物；
三、对步骤二得到的固相沉淀物进行真空干燥处理，真空干燥温度为60℃，干燥时间为12h，得到高纯相多层V2C材料。
本实施例得到的高纯相多层V2C材料的XRD如图1所示，从图中可以看到，Nb2AlC粉体在41.3°的衍射峰在腐蚀后基本完全消失，并且002峰由原来的13.5°提前至9.1°。为此可以证明成功合成了V2C材料。
图2为V2C的EDX图谱，其V，C，O，F，Al原子比为2.03:1:1.06:0.79:0.06，可以看出Al的含量非常少，表明成功的合成了高纯相多层V2C材料。
图3是高纯相多层V2C材料的SEM照片，说明是多层的结构。
图4-8是高纯相多层V2C材料的电化学性能测试图，将少许V2C材料研磨成粉体作为活性物质，将活性物质与乙炔黑和聚偏氟乙烯按照7:1.5:1.5的质量比混合成浆料，将其涂在铜箔上制成电极片并干燥，干燥后再用手压打孔机将此电极片压出13mm电极片，然后在手套箱中将其制成扣式锂离子电池，之后对其进行电化学性能测试，从图4中可以看出，0.1A/g的电流密度下，循环65圈，比容量保持在333.8mAh/g(Michael Naguib和YuryGogotsi等人报道，在1C电流密度下，循环稳定后可达到210mAh/g，ZhangYajuan等人报道，在0.1A/g电流密度下，V2C循环稳定后的容量为241mAh/g)，而且库伦效率接近100％。图5是在不同电流密度下充放电循环测试图，显示出了很好的倍率性能。从图6可以看出，该高纯相多层V2C负极材料在2A/g的电流密度下循环650圈，比容量保持在109.1mAh/g，库伦效率也接近100％。图7是该V2C材料的CV曲线，说明其不同扫速下的电容行为。图8是该V2C材料的EIS图谱，表明该材料有较小的电荷转移电阻和良好的粒子扩散能力。综上所述，表明高纯相多层V2C材料是一种很有前景的锂离子电池负极材料。
- 上一篇：石墨接头机器人自动装卡簧、装栓机
- 下一篇：一种无粘结一体化碳化钛材料及其制备方法
