[发明专利]高能量密度锂离子二次电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种锂离子电池材料及其制备方法，具体涉及锂离子二次电池正极材料及其草酸盐法的制备工艺。

背景技术

自20世纪90年代以来，锂离子二次电池在各种便携式电子产品中得到了广泛应用。近年来，围绕锂离子二次电池的研究主要集中在寻找电压高，能量密度高，循环性能好以及价格低廉的电极材料等方面。特别是随着混合动力电动汽车(HEV，Hybrid Electric Vehicle)和纯电动汽车(EV，Electric Vehicle)发展的需要，其核心部件—动力蓄电池的研制已成为电动汽车开发的核心任务。目前国际上普遍采用的电动汽车动力蓄电池主要有两种：锂离子电池和镍氢电池。综合诸多因素考虑，锂离子电池被普遍认为是最有前途的电动汽车动力蓄电池。现在商业上广泛使用的锂离子二次电池正极材料是LiCoO₂(钴酸锂)，它具有电压高，循环性能稳定等优点，但由于Co元素有毒，对环境保护不利，价格昂贵，以及近年来出现的安全问题，限制了它在更大规模上的应用。基于LiCoO₂的以上缺陷，人们开发了一系列新型的锂离子二次电池正极材料，如LiMnO₂，LiMn₂O₄，LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂和LiFePO₄。其中，以V₂O₅为代表的钒氧化物正极材料以其较高的能量密度一直备受瞩目。

V₂O₅属于正交晶系，具有层状结构，空间群为Pmmn。作为正极材料，它具有容量密度和能量密度高，成本低，易于制备等优点，但V₂O₅本身，尤其是结晶度高的V₂O₅的电化学性质并不理想。这主要是因为材料较低的电子和离子导电率以及材料结构在充放电过程中容易发生崩塌，从而导致循环性能变差。近年来，人们采用超临界干燥，溶剂置换等方法，在较低温度下(<200℃)制备了V₂O₅气/干凝胶。这类材料属于高孔洞形材料，具有极大的比表面积，使得其Li⁺离子扩散效率大幅度提高，进而提高了材料的高倍率充放电性能。另一方面，在V₂O₅中掺杂少量Cu(或Ag等金属元素)，材料的导电率会极大提高(约100-1000倍)，材料的结构也变得更稳定。因此，金属元素掺杂和控制材料的形貌有利于改善锂离子二次电池的高倍率充放电性能，在获得高能量密度的同时提高了电池的功率密度，可以满足未来电动汽车动力蓄电池发展的需要。

发明内容

本发明的目的是合成出一种新型的锂离子二次电池正极材料，以及新的制备路径。该合成方法，反应温度低、反应工艺简单，适于批量生产。

本发明的锂离子二次电池正极材料的分子式为Cr_xV₂O₅，0<x≤0.1，空间群Pmmn，属于正交晶系，相邻的[VO₅]三角双锥共棱形成锯齿型的层状结构。材料在2～4V之间进行放电可以插入3个Li⁺离子，其理论比容量可达到290mAg^-1。材料中加入Cr元素，可以形成新的[CrO₆]八面体连接V₂O₅各层，增加了材料的三维结构稳定性，优化了该正极材料的电化学性能，其空间结构示意图如图1所示。