C電極材料及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于電化學材料技術領域，涉及一種二維層狀結構V2C電極材料及其制備方法與應用。
【背景技術】
[0002]超級電容器作為一種新型貯能元件具有高功率、長壽命等獨特優點，在消費電子產品、UPS(不間斷電源系統)以及電動車用的混合電源系統等方面具有廣闊的應用前景。超級電容器根據儲能機理的不同，分為炭基超級電容器(雙電層電容器)和以金屬氧化物及導電聚合物為電極材料的準電容電容器。炭基超級電容器能量密度較低，為3?7Wh/kg。提高超級電容器的能量密度是亟待解決的科學難題，為了提高其能量密度，人們開始研究非對稱超級電容器。非對稱超級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)結合起來，從而可以提高電容器的能量密度。
[0003]常見的非對稱超級電容器以氧化物或嵌入化合物為正極，炭電極為負極；或者，正極為炭電極，負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，負極為氧化物(Mn02，a -Fe2O3)方面的報道。
[0004]超級電容器的準電容有三種機理: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；以及近年人們提出的在不引起相變情況下的離子嵌入。第三種機理產生的準電容被定義為嵌入準電容，它要求材料有一個晶體網絡，能提供二維的傳輸路徑，并且在嵌入過程中無相變。通常這種結構為層狀結構，離子能嵌入到層間間隙(范德華間隙)。目前，基于嵌入準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，以嵌入準電容為負極的非對稱超級電容器在國內外尚無相關的報道，由于準電容具有高能量密度的優點，因此，預期以嵌入準電容為負極的非對稱超級電容器具有比常規非對稱超級電容器更高的能量密度。然而，目前有關制備二維層狀結構V2C電極材料的技術信息現有報道。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種操作步驟簡單，適用于擴大化生產的二維層狀結構V2C電極材料及其制備方法與應用。
[0007]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0008]—種二維層狀結構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構V2C電極材料。
[0009]—種二維層狀結構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，制得前驅體混料；
[0011](2)將前驅體混料轉移至管式爐中，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構V2C電極材料。
[0013]所述的球磨罐中的球料比為(1-2):1。
[0014]優選地，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溶液的質量分數為10-30%。
[0016]優選地所述的二維碳化物晶體V2AlC在HF溶液中的浸蝕時間為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構V2C電極材料。
[0020]所述的二維層狀結構V2C電極材料用于制備超級電容器。
[0021]本發明制得的V2C電極材料在進行電化學性能測試時，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，測試系統為CHI660C電化學工作站。電位區間為-1.05?-0.55V。電解液為IM的L1H、NaOH和KOH水溶液。
[0022]本發明中，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構，C原子則填充于八面體空隙。由于V-Al鍵相對于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構。
[0023]與現有技術相比，本發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構，可以通過嵌入準電容貯能，能有效提高超級電容器的電化學性能，同時，本發明制得的V2C電極材料在堿性L1H水溶液中具有較高的比電容，電化學穩定性好，可應用在高穩定性，高功率密度電源的場合。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明制得的V2AlC的XRD圖譜；
[0025]圖2為本發明制得的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。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0030]實施例1:
[0031]本實施例二維層狀結構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，制得前驅體混料；
[0033](2)將前驅體混料轉移至管式爐中，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置于質量分數為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構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，稱其質量，并用刀片將漿料均勻涂在泡沫鎳表面上，再分別測定其質量，用臺式壓片機壓片，將壓完片的泡沫鎳電極片放入真空烘箱內烘干(80°C)。以V2C為研究電極，以3X5cm2大小的鉑片為輔助電極，飽和甘