[发明专利]一种镁钒氧化物及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种镁钒氧化物及其制备方法和应用，所述镁钒氧化物的化学式为Mg_0.25V₂O₅·H₂O。根据本发明，由于二价镁离子的存在，其与氧形成的离子键与单价离子插入的钒青铜相比更强，因此在锂离子插入和脱出过程中，镁钒氧化物的结构稳定性好，继而其循环寿命长。同时，二价离子的插入提高了层间距，可以促进锂离子的扩散，有利于提高电池的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及电池正极材料制备领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料镁钒氧化物及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子二次电池具有能量密度高、循环寿命长和自放电小等优点，现已广泛应用于各类便携式电子产品与移动设备上，而锂离子电池的正极材料是该类电池的重要组成部分，正极材料的性能制约着锂离子电池的功率与能量密度。

作为锂离子电池正极材料，常见的有钴酸锂(LiCoO₂)、镍酸锂(LiNiO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、聚阴离子型材料磷酸铁锂(LiFePO₄)和钒的氧化物等。其中，钴酸锂是最早商品化的正极材料，但钴酸锂材料价格昂贵且有一定的毒性。镍酸锂材料合成过程比较困难，难以大规模生产。虽然锰酸锂具有价格便宜、无毒等优点，但材料结构不稳定，循环性能较差、特别是在高温下嵌锂容量迅速衰减等。磷酸铁锂其循环寿命长，但是其容量低。所以，限制了这些材料在锂离子电池中的实际应用。随着电动汽车、混合动力电动车和大型电力存储系统的发展，人们对电池容量和循环寿命要求逐步提高，而目前商用的正极材料无法满足上述要求(LiCoO₂：140mA h g^-1；LiMnO₄：148mA h g^-1；LiFePO₄：170mA h g^-1)。

同上述锂离子电池电极材料相比，钒氧化物及其衍生物作为正极材料具有廉价、无环境污染、能量密度高、易合成等优点。并且，地球的钒矿储量丰富，我国的钒矿资源储量位居世界第三。在钒系化合物中，V₂O₅由于其开放的层间结构，插入2个锂离子容量可达到294mA h g^-1，插入3个锂离子可达到440mA h g^-1，是研究较早的电极材料之一。

目前，V₂O₅没有得到广泛应用在于其本身低的锂离子扩散速率和电子电导率，以及不稳定的结构，导致其循环性能和倍率性能很差。由于开放的层状结构，V₂O₅的层间可以插入金属离子或者其他客体，形成衍生化合物钒青铜。一方面，金属离子和其他客体充当支柱的作用，使钒氧化合物的结构稳定性提高；另一方面，可以扩大锂离子扩散通道，促进锂离子的传递，从而提高钒氧化合物的循环性能和倍率性能。由于钒青铜独特的结构和迷人的属性，近年来在合成和在锂离子电池方面应用引起广泛的关注。例如，K_0.25V₂O₅(J.PowerSources 275(2015)694)循环500次后，平均每次衰减率为0.023％；Na_0.33V₂O₅(ACSAppl.Mater.Interfaces 7(2015)7025)表现出高的比容量，好的倍率性能和循环性能；Cu_0.95V₂O₅纳米带(J.Power Sources 237(2013)112)和Ag_0.33V₂O₅纳米线(ChemSusChem 4(2011)1091)的电化学性能也被研究过。