[发明专利]一种锂离子电池正极材料磷酸钒锂/碳及其制备方法和一种锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料磷酸钒锂/碳及其制备方法和一种锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由三部分组成：正极、负极和电解质，电极材料为锂离子可嵌入/脱嵌型材料。锂离子电池的工作原理是锂离子循环往复的在正极材料和负极材料之间进行嵌入/脱嵌。充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，在电解质作用下嵌入负极层间，使负极富锂而正极贫锂，同时电子的补偿电荷经由外电路到负极；放电过程与此相反，锂离子从负极经电解质到达正极，补偿电荷由外电路到达正极。锂离子的嵌入/脱嵌引起了主材料骨架中的电荷分布变化，从而在外部电路上产生了电流。

电极材料是锂离子电池的关键组成部分，与电池成本和性能密切相关。钴酸锂电池由于材料价格昂贵、安全性差而被放弃用于大功率大容量的场合。锰酸锂电池有低成本、高性能的优势，产品安全性较钴酸锂电池高，是热门的电动汽车电池备选正极材料，但是其工作电位较低。磷酸铁锂具有较稳定的氧化状态，安全性能好，高温性能好，同时又具有无毒、无污染、原材料来源广泛、价格便宜等优点，是目前最热门的电动汽车电池正极材料之一。对于大规模储能的锂离子电池，其它关键技术还包括电池系统总体设计技术、电池系统的集成和成组技术、电池组测试技术等。

目前，生产实践和科学研究中已经出现了多种锂离子电池正极材料，可分为两大类：锂的过渡金属盐，包括层状化合物、尖晶石型化合物等(可表示为Li_xM_yO_z，M为Co、Ni、Mn、V等过渡金属)；另一类是聚阴离子型化合物，也就是含有四面体或者八面体阴离子结构单元(XO_m)^n-(X＝P、S、As、Mo和W)的化合物。

以磷酸钒锂(Li₃V₂(PO₄)₃为代表的磷酸钒盐有电化学性能较好、结构稳定、安全性能好、成本低廉、环保等特点。它的氧化还原电位高，且具有相对特殊的三维离子转移通道，锂离子能很好地进行脱嵌。

溶胶凝胶法是合成磷酸钒锂的常用方法。通常所说的溶胶凝胶法一般是指烧结前的所有反应与材料混合均在溶液中进行，但诸如酚醛树脂和聚偏氟乙烯(PVDF)等高分子碳源均不溶于水，无法与锂源、钒源、磷源的水溶液相混合。因此，为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种磷酸钒锂的复合制备方法，该复合制备方法是一种溶胶凝胶法和固相法相结合的方法，工艺简单，适用面广泛。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种溶胶凝胶法和固相法相结合的磷酸钒锂/碳正极材料的制备方法，通过该制备方法能够制备出具有良好倍率性能与循环性能的锂离子电池正极材料磷酸钒锂/碳。

基于上述目的，本发明提供的一种锂离子电池正极材料磷酸钒锂/碳的制备方法，包括以下步骤：

(1)按锂元素、钒元素、磷元素和还原剂的摩尔比为3.05:2:3:3称取锂源、钒源、磷源和还原剂；

(2)将钒源与还原剂置于去离子水中溶解并发生还原反应，再依次加入锂源和磷源，加热搅拌使其混合均匀，待水分蒸干形成绿色凝胶；

(3)将绿色凝胶干燥形成干凝胶后，将干凝胶预烧形成前驱体粉末；

(4)将前驱体粉末与碳源混合均匀后，加入分散剂进行球磨分散，将分散剂蒸干后烧结，得到磷酸钒锂/碳复合材料；所述碳源的用量为使磷酸钒锂/碳复合材料中碳的重量百分比为5-10％。

本发明采用球磨辅助溶胶凝胶法的复合制备工艺，可以制备出具有良好倍率性能与循环性能的复合电极材料磷酸钒锂/碳，颗粒细小均匀，碳包覆效果良好。

在本发明中，优选的，所述锂源为硝酸锂、氢氧化锂、碳酸锂、氟化锂、磷酸二氢锂或乙酸锂中的一种；所述钒源为五氧化二钒、钒酸钠或偏钒酸钠中的一种；所述磷源为磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵、磷酸或焦磷酸中的一种；所述还原剂为柠檬酸、抗坏血酸、草酸或苹果酸中的一种。

在本发明中，以高价矾源化合物为钒源，大大降低了合成条件和原材料的成本，还原剂将钒源中的五价钒离子还原为四价钒离子，在钒源中加入还原剂，在常温常压或60℃水浴中搅拌反应，待反应完毕，得澄清蓝色溶液，然后再依次加入锂源和磷源。本发明利用还原剂直接将五价钒离子还原为四价钒离子，解决了三价钒离子容易被氧化的问题。

在本发明中，优选的，所述碳源包括有机含碳材料与高分子含碳材料。