本發明屬于超級電容器。具體涉及鉀離子混合電容器的。尤其涉及一種抗氧化性v2ctx材料的制備方法及其應用于混合電容器。
背景技術:
1、目前,大多數儲能設備,如高能量密度鋰離子電池和高功率密度超級電容器只能滿足單一需求,這限制了它們的進一步應用。金屬離子混合電容器通過組裝電池型和電容器型電極實現高功率提供高能量,而不會犧牲其使用壽命。其中,鉀離子混合電容器(pihc)因成本低、地殼豐度遠高于鋰(1.5%>0.0017%)、氧化還原電位低(-2.93v?vs?she)而備受關注。
2、二維層狀材料因其獨特的結構優勢而備受關注,其中過渡金屬碳化物/氮化物(mxenes)因其優異的導電性、豐富的表面官能團以及低的離子擴散勢壘而備受關注。mxenes還具有可調層間距和化學界面。2011年,yury?gogotsi和michael?w.barsoum團隊得到了第一種mxene材料。然而,mxenes仍然具有的理論比容量低,納米片之間容易發生自堆疊,導致活性位點有限。此外,mxenes在合成實驗中不可避免地被表面官能化,高立軍團隊研究了ti3c2tx中t包含oh,o和f。除了理論研究外,許多實驗都集中于mxenes的表面封端基團。因此了解表面封端基團并實現其精準調控也尤為重要。linda?h.karlsson等人首次提出了ti3c2tx的表面結構和嵌入機理。然而實現不同封端基團的選擇性調控與交換的仍然存在很高的技術難度。離子液體是新興的溶劑,通過改變離子液體的陽離子或陰離子,可以合成不同類型的離子液體。此外,化學反應可用于將極性或非極性基團引入離子液體的陽離子或陰離子,以改變其化學特性,從而導致與目標分析物的靜電和氫鍵等多種相互作用。
3、mxene具有獨特的層狀結構、較大的層間距、超高的金屬導電性,因此在儲能領域有著廣泛的應用。其中,v2ctx的電導率為3300s?cm-1,理論容量為940mah?g-1,高于已有研究的移動離子電池用ti3c2tx?mxene。不幸的是,與其他mxene納米片類似,v2ctx在氧氣或水分子存在的情況下,由于熱力學上的亞穩表面,容易發生不可逆氧化,從而導致結構完整性退化,電導率和電化學活性下降。這可能會中斷基于v2ctx的電極的持續使用,盡管v2ctx的氧化機理尚不清楚,但ti3c2tx的氧化過程為v基系統提供了一些有價值的建設性指導。已經證明,水和氧分子可能與ti3c2tx的氧化穩定性相關。此外,當它儲存在較低的溶液濃度或較高的溫度下時,氧化速度會加快。含氧基團和附著在mxene表面/邊緣的非配位過渡金屬原子是影響氧化穩定性的兩個重要因素。
4、這項工作試圖通過陽離子交換策略選擇性地鈍化反應中心原子和末端基團來完全操縱中心原子和端基的氧化中心。在此基礎上暴露的釩空位在高區域選擇性下提供部分氧化。結果表明,缺陷驅動的氧化為短距離離子的面內擴散創造了路徑,而不是長距離的“邊緣到中心”擴散路徑,這歸因于k離子的快速存儲。此外,缺陷驅動的氧化被限制在空間微反應器中,其中鈍化的宿主限制了氧化進程,從而確保了壽命。
5、通過上述分析,現有技術存在的問題及缺陷為:在混合電容器領域,mxene的自堆疊和不可逆氧化會導致mxene具有獨特的層狀結構失效和顯著的容量衰退。
6、解決以上問題及缺陷的難度為:抗氧化性v2ctx是一個艱巨的合成挑戰,實現不同封端基團的選擇性調控與交換的存在很高的技術難度。
7、解決以上問題及缺陷的意義為:具有“定制表面”結構的抗氧化性的v2ctx(v2ctx-rtil)。rtil通過靜電相互作用與v2ctx形成獨特的納米通道,離子液體中的陰離子沉積在通道內,以實現與v2ctx末端基團的離子交換,從而精確調制v2ctx表面。此外,獲得更大的層間距,減輕了mxene的自堆疊。功能化的表面在電化學能量存儲過程中實現內部k+/空位無序結構。基于這些化學特性,v2ctx-rtil負極可以實現極好的可逆k+存儲比容量,并具有優異的倍率性能和極長的循環壽命。此外,基于v2ctx-rtil和ac的水基全電池具有與非水離子電池相當的能量密度,進一步表明v2ctx-rtil可以作為混合電容器的一種有潛力的負極材料。
技術實現思路
1、針對克服相關技術中存在的問題,本發明提供了一種抗氧化性v2ctx材料的制備方法及其應用于混合電容器。
2、本發明是這樣實現的,所述v2ctx-rtil材料的制備方法包括:
3、首先,將1.0g?naf溶解于20ml濃鹽酸中,再加入1.0g?v2alc混合均勻,在90℃下水熱反應72h,然后將粉末用無水乙醇和去離子水洗后干燥得到v2ctx;
4、將2mmol對甲苯磺酸甲酯、2mmol?1-乙烯基咪唑、和2mmol?k2co3溶解于10ml無水乙腈中,在60℃下氮氣保護下回流24h,濾液用去離子水萃取,再用乙酸乙酯萃取除去雜質,取水相減壓蒸餾得到rtil;
5、將v2ctx、1m?rtil加入水和乙腈混合溶液中,將混合溶液用h2加壓至6mpa,并在室溫下在100ml高壓釜中攪拌48h,粉末用水洗滌,冷凍干燥后,得到最終的v2ctx-rtil。
6、本發明的另一目的在于提供一種電極材料,所述電極材料由碳材料和粘結劑以及乙炔黑形成勻漿制備;按照質量比碳材料:粘結劑:乙炔黑=8:1:1。
7、本發明的另一目的在于提供一種由所述電極材料組裝的混合電容器。
8、本發明的另一目的在于組裝一種混合電容器器件,所述器件以v2ctx-rtil材料為負極,活性碳為正極中使用的隔膜以及電解液分別為玻璃纖維膜和22mkcf3so3。
9、本發明的另一目的在于提供一種安裝有所述混合電容器的太陽能能源系統。
10、本發明的另一目的在于提供一種安裝有所述混合電容器的風力發電系統。
11、本發明的另一目的在于提供一種安裝有所述混合電容器的新能源汽車。
12、結合上述的所有技術方案,本發明所具備的優點及積極效果為:
13、當將親水性的rtil引入體系時,rtil可以被靜電吸引到帶負電的mxene表面,從而能夠在表面上進一步鍵合。盡管存在靜電斥力,但mxene邊緣上存在著與殘余v的強烈配位效應,使邊緣位置鈍化,形成封頂效應。屏蔽氧化位但暴露釩空位可以有效地提高v2ctx的抗氧化性,最終形成的樣品是具有開放結構的手風琴狀層狀結構的抗氧化性v2ctx材料。rtil通過靜電相互作用與v2ctx形成獨特的納米通道,離子液體中的陰離子沉積在通道內,以實現與v2ctx末端基團的離子交換,從而精確調制v2ctx表面。并且緩沖了鉀離子嵌入/脫嵌過程的結構應力和體積膨脹效應,提高了結構穩定性和庫倫效率。外部rtil涂層和內部v2ctx之間存在的相互作用為v2ctx和rtil分子提供了額外的傳輸通道,這使得v2ctx層表面終止基可以精確控制,以實現靈活的儲鉀。外部rtils納米通道與內部官能化的v2ctx表面協同作用使得快速k+存儲性能和更高的可逆容量。v2ctx-rtil負極可以實現極好的可逆k+存儲比容量,并具有優異的倍率性能和極長的循環壽命。此外,基于v2ctx-rtil和ac的水基全電池具有與非水離子電池相當的能量密度,進一步表明v2ctx-rtil可以作為混合電容器的一種有潛力的負極材料。我們的工作還為mxene基材料表面的精確調節提供了一條可行的途徑,并為v2ctx在水系混合電容器中的應用開辟了新的應用。