[发明专利]一种掺杂型钒酸锂正极材料及其合成方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池材料制备工艺技术领域，具体涉及一种掺杂型钒酸锂正极材料及其合成方法。

背景技术

进入21世纪，电化学与能源的关系越来越受到关注。锂离子电池作为一种新型环保型新能源，正快速进入到人类社会各个领域，并得到极大利用，在很大程度上已经能够影响人们的日常生活。锂离子电池能量密度大，输出电压高，循环寿命长，可以安全的快速充放电。与金属锂电池相比较，锂离子电池具有抗短路、抗冲击、防震，抗过充与过放等特点。而且锂离子电池中不含有镉、铅、汞等有害金属，不会对环境造成污染，是最具发展潜力的第三代环保型二次电池。锂离子电池无记忆性，可以随时反复充、放电；同时，锂离子电池还具有优良的低温放电性能。鉴于锂离子电池的这些优良性能，锂离子电池研究成为了新型环保型能源的研究重点，而锂离子正极材料的性能直接决定了锂离子电池的性能好坏。

正极材料作为锂离子电池的贮锂库，它的开发研究一直是锂离子电池发展的瓶颈，原因是其容量、循环稳定性等电化学性能以及价格、与环境的兼容性等与现有的负极材料不匹配。如目前商业上广泛使用的Li_xCoO₂正极材料的理论比容量为156mAh/g，而天然石墨负极的理论比容量为372mAh/g，锡氧化物负极的比容量可达500mAh/g以上；此外Co价格高、有毒。因此，需要寻找和开发新的具有高比容量、长寿命、原料来源广泛的正极材料。Li_1+xV₃O₈因具有比容量高、合成简单、资源丰富等优点，成为近年来锂离子电池正极材料研究中的热点之一。

但现有Li_1+xV₃O₈正极材料存在循环性能比较差、充放电结构不稳定、离子导电率差等缺点。当循环50周后，电池容量下降较快，原因有材料的结构不稳定、粒子尺寸较大、结晶度不高、电解液腐蚀等因素。

现已知有掺杂钠元素的钒酸锂技术，能改善循环性能和充放电性能，但如果将石墨烯包覆其上，能防止电解液对活性物质的腐蚀，进一步稳定材料晶体结构；同时，石墨烯是良好导体，能加强材料导电性能。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种掺杂型钒酸锂正极材料及其合成方法。针对现有钒酸锂材料存在的循环性能差、充放电效率低等缺点，钠元素和锂元素属于同一主族，在化学性质上有相似之处，用部分钠取代锂能扩大层间距离，使锂离子嵌入和脱嵌更容易，改善充放电性能；钒酸锂材料还存在电子导电性差的缺点，采用石墨烯包覆，能防止电解液对Li_1-XNa_XV₃O₈的溶解，同时改善材料的低导电性；喷雾干燥法的使用，均匀分散颗粒，得到纳米尺寸材料，材料纯度高，利于大规模生产。

本发明采用的技术方案如下：

一种掺杂型钒酸锂正极材料的合成方法，包括以下步骤：

(1)将碳酸锂、五氧化二钒、掺杂元素钠按比例进行混合，形成混合物A；

(2)将混合物A与蒸馏水按比例混合，形成混合液，进行球磨，通风干燥12～24h，煅烧，制成纳米尺寸的前驱体B；

(3)将石墨烯缓慢加入蒸馏水中，形成悬浊液，超声，得到石墨烯混合液；

(4)将前驱体B加入石墨烯混合液中，充分搅拌，球磨，经喷雾器雾化，由惰性载气带入反应炉反应，得到纳米尺寸的掺杂型钒酸锂正极材料。

所述步骤(1)中，碳酸锂、五氧化二钒、掺杂元素钠的配比为1-X：3：X，X为0.2～0.4。

所述步骤(1)中，碳酸锂可更换为氢氧化锂、醋酸锂或其它锂盐。

所述步骤(1)中，五氧化二钒可更换为偏钒酸铵或其它钒盐。

所述步骤(1)中，钠元素可更换为钾元素或镁元素。

所述步骤(2)中，混合物A与蒸馏水的比例为1:5～10。

所述步骤(2)中，煅烧温度为350～600℃。

所述步骤(3)中，超声时间为0.5～1.5h。

所述步骤(4)中，1g前驱体B加入10～20mL石墨烯混合液中。

所述步骤(4)中，反应炉中反应温度为500～600℃。

一种如上述合成方法制备的掺杂型钒酸锂正极材料。

与现有技术相比，本发明具有如下优异技术效果：