[发明专利]LiV3O8/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其涉及LiV₃O₈/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着各种新能源的发展，便携式电子设备的小型化发展及电动汽车对大容量高功率化学电源的广泛需求。一种新型的具有高倍率充放电性能的电池材料的研发变得极其重要。

目前商品化的锂离子电池大多采用无机正极/石墨体系，其中这些正极材料主要是磷酸铁锂，锰酸锂，钴酸锂，镍酸锂以及混合的体系。但这类体系存在本身容量较低（如磷酸铁锂的理论容量为170mAh/g），充放电时间长，制备工艺复杂，成本高等诸多缺点。

且常规的锂离子电极材料像磷酸铁锂、钴酸锂是将锂存储于正极材料的体相中，这样一来，此类电池在工作过程中，锂离子需要从材料表面扩散到材料内部，从而充放电时间较长。

石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，具有极强导电性，超高强度和超大比表面积。LiV₃O₈是一个可以嵌入多个Li⁺离子的层状钒基正极材料，LiV₃O₈为单斜结构，空间群P2₁/m，a=0.668nm，b=0.360nm，c=1.203nm，V=0.27545nm³。LiV₃O₈的层与层之间通过在电化学嵌入过程中不参与充、放电的Li⁺离子连接起来，以确保在充电和放电过程中LiV₃O₈具有很好的结构可逆性和稳定性，同时也不会阻碍嵌入的Li⁺离子占据四面体间隙位置。虽然LiV₃O₈晶体结构稳定，但其倍率性能受到Li⁺离子扩散和电子传输的制约。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种LiV₃O₈/石墨烯复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的LiV₃O₈/石墨烯复合材料，具备较好的功率密度和较高的容量，可用做锂离子电池和超级电容器的正极材料。本发明提供的制备方法工艺流程简单，反应时间短。

第一方面，本发明提供了LiV₃O₈/石墨烯复合材料，包括LiV₃O₈和石墨烯，LiV₃O₈与石墨烯通过化学键合，LiV₃O₈的质量含量为70~95%，石墨烯的质量含量为5~30%。

本发明提供的LiV₃O₈/石墨烯复合材料是由2维的石墨烯分子与LiV₃O₈构成，LiV₃O₈表面附着大量的高导电的石墨烯分子。LiV₃O₈/石墨烯复合材料中，LiV₃O₈与石墨烯表面主要表现出很强的化学键合，即共价键相互作用特征。共价键的主要贡献来自于过渡金属钒的d(x2-y2)和d(yz)轨道与碳原子的pz轨道的杂化。

本发明提供的LiV₃O₈/石墨烯复合材料具备良好的导电性，以及高的机械性能，有较好的功率密度以及寿命，有较高的容量。

第二方面，本发明提供了LiV₃O₈/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

取石墨烯分散到水中，得到石墨烯悬浮液；

取五氧化二钒粉末溶于双氧水溶液中，搅拌均匀，得到五氧化二钒溶胶；

将所述石墨烯悬浮液与所述五氧化二钒溶胶混合，搅拌1~10h，随后加入氢氧化锂溶液，搅拌，加热干燥，得到干凝胶；

将所述干凝胶在惰性气体保护下，300~550℃温度下反应5~10h，得到LiV₃O₈/石墨烯复合材料。

优选地，石墨烯的比表面积为200~1000m²/g。

高比表面积石墨烯在充放电过程中能够提供离子穿梭通道，同时高比表面也能够发挥出一定的双电层电容。