[发明专利]一种锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料的制备方法，尤其涉及一种锂离子电池负极材料钒酸铈的制备方法。属于锂离子电池技术领域。

背景技术

锂离子电池是目前比能量最高的一种便携式化学电源，它具有电压高、比能量大、放电电压平稳、低温性能好、安全性能优以及贮存和工作寿命长等优点。随着当今电子设备小型化和微型化的飞速发展，锂离子电池的研究与应用也越来越得到重视。负极材料是锂离子电池的主要组成部分，负极材料性能的好坏直接影响到锂离子电池的性能。

目前，对锂离子电池负极材料的研究，主要集中在碳材料、合金材料和以钛酸锂为代表的新型负极材料等方面。其中，碳材料是最早为人们所研究并应用于锂离子电池商业化的材料，至今仍是大家关注和研究的重点之一。碳材料按其结构特点可分成可石墨化碳(软碳)、无定形碳(硬碳)和石墨类。可石墨化碳主要有石油焦、针状焦、碳纤维、中间相碳微球等。最早开发锂离子电池的索尼公司，其第一代产品就是采用石油焦做负极。然而，这种材料的放电曲线是斜坡式的，而且可逆容量很低。同样，无定型碳也存在可逆容量低的缺点。如今，石墨是商业化锂离子电池中广泛使用的负极材料。石墨价廉易得，用作锂离子电池负极材料时具有放电电位低，放电曲线平稳等优点。但是，石墨在充放电过程中会溶解在电解液中，同时，在高倍率低电压充放电下生成的锂枝晶会大大缩短锂电池的寿命。

金属材料如(Si、Sn、Sb、Ge、Pb、Bi等)也可作为锂离子电池的负极材料，尤其是Sn和Si是最具有代表性的。金属类电极材料一般具有较高的理论比容量，与电解液的相容性较好，这是相对于碳负极材料的突出优点。但它的缺点是，体积效应随着锂反复的嵌入脱出会导致这类电极在充放电过程中较大的体积变化，致使电极逐渐粉化失效，使电池循环性能变差。

碳材料和金属负极材料共同的缺点就是大部分可逆容量都只能在低电压充放电时获得。然而，在低电压充放电时所产生的锂枝晶却降低了锂电池的循环性和安全性。因此，寻找一种具有较高充放电平台电压的负极材料是目前锂电池负极材料研究的当务之急。

尖晶石结构的钛酸锂的放电平台可达1.55V，且平台非常平坦。从而不易在充放电过程中形成锂枝晶，为保障锂离子电池的安全性提供了基础。钛酸锂其最大的特点就是“零应变性”。在嵌入或脱出锂离子时，钛酸锂的晶格常数和体积变化都很小，小于1%。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减。钛酸锂虽然具有循环寿命长，高稳定性的优点，但它却有比容量低的缺点。理论容量只有175mAh/g，实际容量一般为160mAh/g。

综上所述，我们可以发现，碳材料和金属材料具有较高的比容量，但是它们的放电电位过低，影响锂电池的安全性。尖晶石结构的钛酸锂虽然放电平台较高，循环性能较好，但是其比容量过低。因此，本领域的技术人员致力于开发一种既具有较高充放电平台电压，又具有较高的比容量的锂电池负极材料。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有较高充放电平台电压和比容量高的锂电池负极材料。

为实现上述目的，本发明提供了一种新型锂离子电池负极材料。具体地，本发明用现有技术中的水热法合成的钒酸铈作为锂离子电池的负极材料；该钒酸铈负极材料无需高温煅烧，且纯度高，没有杂质。

在本发明的锂离子电池负极材料中，钒酸铈能嵌入和脱出两个锂离子；在10mA/g的放电倍率下，钒酸铈的比容量为210mAh/g。该容量高于尖晶石结构的钛酸锂。同时钒酸铈具有两个平台，分别为1.5和1.0V。较高的两放电平台电压可以预防锂枝晶的形成，从而提高锂离子电池的稳定性和安全性。

在本发明的具体技术方案中，锂离子电池负极材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将3～5g三价铈盐和1～2g配位剂加入到50～150mL溶剂中，搅拌直至完全溶解；

步骤二、将称量好的1～2g钒酸盐加入到正在搅拌过程中的上述溶液中，继续搅拌直至完全溶解，形成一种绿色溶液；

步骤三、将步骤二的溶液装入反应釜内，将反应釜密封后置于恒温烘箱中加热；自然冷却至室温，打开反应釜并将其中的产物进行过滤处，洗涤，烘干；

步骤四、将烘干后的产物在马弗炉里煅烧处理以去除可能存在的有机物杂质，从而得到钒酸铈样品。

在本发明的具体实施方式中，步骤一中，所述的三价铈盐优选六水合硝酸铈、氯化铈、硫酸亚铈中的一种或者其组合；