[发明专利]三维导电增强磷酸钒锂纳米球及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种三维导电通道增强磷酸钒锂纳米球及其制备方法，该电极可作为锂离子电池正极材料。

背景技术

随着能源需求的不断增长，探索具备优良性能的新型清洁能源材料已成为当今的一个挑战。由于锂离子电池快速充放电性能，高容量以及长寿命的特点引起了人们广泛的研究。在可用作锂离子电池的电极材料当中，具有钠离子超导结构的磷酸钒锂成为了研究的热点。磷酸钒锂具有高能量和功率密度，良好的热稳定性，低毒性和价格低廉的特点，这些特点使它成为新一代动力汽车等高功率产品的宠儿。

然而，在对磷酸钒锂正极材料的研究中也存在着一些问题：首先，磷酸钒锂低的电子传导率抑制了其在高倍率下的电化学性能；其次，磷酸钒锂在脱嵌Li⁺过程中对其结构变化的影响以及进行循环充放电时活性物质和电解液之间发生的副反应对其电化学性能受到了一定的影响；最后，繁琐的制备步骤和难以控制的形貌也是阻碍磷酸钒锂研究和大规模生产的因素。

为了改善磷酸钒锂的性能，近来的研究重点集中在如何改善上述三种问题。其中，包覆是一种既便捷又经济常见的手段。通过包覆可以有效的改善表面的化学能或阻碍电解液与活性物质在充放电过程中的副反应的发生。在多种包覆中，由于碳层具有良好的电子传导率、电化学稳定性、独特的物理性质、低廉的价格和易操作这些特殊的性质，使碳包覆得到了广泛的研究应用。此外，包覆均匀的碳层可以增强磷酸钒锂的稳定性因为可以防止V³⁺氧化成为V⁵⁺，可以大幅度的提高磷酸钒锂的电化学性能和稳定性。同时，通过连续的导电碳网，可以改善磷酸钒锂低的电子传导率并且提高其倍率性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、符合绿色化学的要求、具有优良电化学性能的三维连续导电磷酸钒锂纳米球及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：三维导电增强磷酸钒锂纳米球，其为附着在碳网上面具有均一尺寸的磷酸钒锂纳米球，所述的磷酸钒锂纳米球上包覆有碳层，碳层与碳层之间链接，所述的包覆有碳层的磷酸钒锂纳米球的直径为60-70纳米，采用下述方法制得，包括有以下步骤：

1）将钒源与去离子水配成溶液，然后将磷酸加入上述溶液中，混合10-60分钟，再加入锂源，混合均匀，其中钒源中的V：磷酸中的P：锂源中的Li=2：3：3；

2）将乙炔黑和聚乙二醇加入到步骤1）的混合溶液中，并搅拌20-50分钟，得到混合溶液；

3）将步骤2）得到的混合溶液置于水浴锅中，70℃水浴5-10小时，得到澄清黄色前驱体溶液；

4）将步骤3）得到的前驱体溶液放入80℃烘箱中20-30小时，使前驱体溶液完全烘干；

5）将烘干后得到的前驱体研磨均匀后放入真空管式炉中，在氩气氛围中先以300～400℃煅烧3-6小时；

6）将煅烧后的产物取出，研磨30分钟后，重新在氩气保护氛围下在600-900℃下烧结6-10小时，得到三维导电增强磷酸钒锂纳米球。

按上述方案，所述的三维导电增强磷酸钒锂纳米球具有三维连续导电通道。

按上述方案，步骤6）所述的烧结温度为750℃～850℃。

按上述方案，所述的钒源为偏钒酸铵或五氧化二钒。

按上述方案，乙炔黑与锂源的摩尔比为1：1，聚乙二醇占钒源、锂源和乙炔黑总质量10%～50%。

所述的三维导电增强磷酸钒锂纳米球的制备方法，其特征在于它包括有以下步骤：

1）将钒源与去离子水配成溶液，然后将磷酸加入上述溶液中，混合10-60分钟，再加入锂源，混合均匀，其中钒源中的V：磷酸中的P：锂源中的Li=2：3：3；

2）将乙炔黑和聚乙二醇加入到步骤1）的混合溶液中，并搅拌20-50分钟，得到混合溶液；

3）将步骤2）得到的混合溶液置于水浴锅中，70℃水浴5-10小时，得到澄清黄色前驱体溶液；

4）将步骤3）得到的前驱体溶液放入80℃烘箱中20-30小时，使前驱体溶液完全烘干；

5）将烘干后得到的前驱体研磨均匀后放入真空管式炉中，在氩气氛围中先以300～400℃煅烧3-6小时；

6）将煅烧后的产物取出，研磨30分钟后，重新在氩气保护氛围下在600-900℃下烧结6-10小时，得到三维导电增强磷酸钒锂纳米球。

按上述方案，步骤6）所述的烧结温度为750℃～850℃。

按上述方案，所述的钒源为偏钒酸铵或五氧化二钒。