[发明专利]一步碳热还原法合成Li3V2(PO4)3/C复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于电能源材料技术领域，涉及一步碳热还原法合成Li₃V₂(PO₄)₃/C复合材料方法。

背景技术

由于锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点，自1991年Sony公司成功实现锂离子电池的商品化以来，关于锂离子电池的研究方兴未艾，并得到了飞速发展，对它的需求增长也越来越大，目前应用范围已从移动通讯电源、笔记本电脑、摄像机等各种便携式电子产品扩大到电动工具、电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)、储能设备等领域。

锂离子电池正极材料是电池的最重要组成部分，是决定电池容量、安全、寿命、可靠性和价格的关键因素。目前锂离子电池正极材料主要有钴酸锂(LiCoO₂)、尖晶石氧化锰锂(LiMn₂O₄)和磷酸亚铁锂(LiFePO₄)等，LiCoO₂研究最成熟，循环稳定，目前90％以上锂离子电池用此材料，但它价格昂贵，对环境有污染，放电容量140mAh/g-150mAh/g，安全性不好；LiMn₂O₄价廉、安全，且倍率特性好，但放电容量低，使用放电容量低于120mAh/g，高温时容量衰减快、循环性能比较差；具有橄榄石结构的LiFePO₄具有结构稳定、非常好的安全性能和循环性能，非常适合作为锂离子电池特别是动力型锂离子电池的正极材料，然而LiFePO₄仍有一些不足：1)电子和离子传导率较差；2)高容量时，振实密度偏低(1.0g/cm³)；3)工作电压适中(3.45V)，理论容量约170mAh/g，相比于层状材料，能量密度较低。

近年来，另一种聚阴离子磷酸盐系列正极材料一磷酸钒锂(Li₃V₂(PO₄)₃)具有以下特点：高的理论比容量197mAh/g、高的工作电压3.8V左右。由于V³⁺/V⁵⁺离子半径差别小，且具有稳定的NASICON结构，因而有更好的循环性能，优异的热稳定性，因而具有优异的安全性，并且使用温度范围广，因此此材料极具潜力成为继磷酸亚铁锂之后的第二代聚阴离子锂离子电池的正极材料。

虽然Li₃V₂(PO₄)₃具有比LiFePO₄更好的电子和离子传导性，但是为了进一步提高其导电性，仍需要对其进行改性处理。目前一般采用掺杂或包覆碳，对于包覆碳来说，碳源的质量和选择是关键，它将直接影响Li₃V₂(PO₄)₃材料的各种性能。目前制备方法中采用的碳源一般有两种，一种是直接使用的碳类材料如碳黑、乙炔黑、石墨和活性炭等；另一种是使用碳前驱体如葡萄糖、蔗糖、聚乙烯醇、聚丙烯酸、乙二醇等。没有涉及本申请专利中的沥青前驱体及其选择方法的。此外，目前Li₃V₂(PO₄)₃的制备方法主要有多步碳热还原法、多步高温固相法、溶胶-凝胶法、水热合成法、氢气还原法等。多步碳热还原法由于采取多步反应合成，工艺复杂，不利于产业化生产；多步高温固相法产品一次粒径较大，循环稳定性较差；溶胶-凝胶法中凝胶分子较小，产品质量较高，但过程过于繁琐；水热合成法要求反应釜压力较高、工业生产时设备投资大，安全隐患大；氢气还原法采用纯氢气作为还原剂，由于氢气的易燃易爆性质而存在危险性，不利于工业化生产。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种Li₃V₂(PO₄)₃/C复合材料的制备方法，该方法采用一步碳热还原法合成Li₃V₂(PO₄)₃/C复合材料，简化了工艺，降低了成本，并且利于工业化生产。

本发明实现目的的技术方案是：