[发明专利]碳限域的三氧化二钒中空微球及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳限域的三氧化二钒中空微球及其制备方法，该材料可作为锂离子电池负极活性材料，其为碳包覆以及氮掺杂的V₂O₃，形貌为均匀的中空微球，所述三氧化二钒中空微球的直径为150～250nm，其微球表面存在大量介孔，孔径分布在2nm～10nm之间，碳含量为8％‑10.wt％。本发明的有益效果是：采用简单的水热法结合后期热处理制备出碳限域的三氧化二钒中空微球，该材料作为锂离子电池的负极活性材料时，表现较高的比容量和良好的循环稳定性以及优异的倍率性能，是高倍率，长寿命锂离子电池的潜在应用材料。本发明工艺简单，条件温和，可实现产物可控合成，符合绿色化学的要求，利于市场化推广。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学器件技术领域，具体涉及一种碳限域的三氧化二钒中空微球及其制备方法，该材料可作为锂离子电池负极活性材料。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭和所带来的环境污染问题日益严重，迫使我们开发和利用二次能源，而锂离子电池作为二次能源的代表，已经广泛应用于各个领域。如今，石墨作为锂离子电池的负极材料已经商业化。然而，受其理论容量的限制，石墨已经无法满足我们对具有高能量密度储能器件的需求。因此，金属氧化物作为高理论容量的电极材料引起了研究者的广泛关注。但是在电池使用过程中其产生的体积膨胀以及低的电导率也限制了金属氧化物的发展，为此，如何减少金属氧化物的体积膨胀和增加其导电性的问题也成了我们关注的焦点。

三氧化二钒，一种低价的钒氧化物，与其他高价的钒氧化物如五氧化二钒相比，有更低的价态，它在进行转化反应的过程中有更小的体积膨胀，价格低廉且安全低毒。然而，三氧化二钒的进一步发展也受到材料本身低的电子导电率等不利因素的制约。所以，必须寻找有效的方法对其进行改进从而提高其电化学性能。而设计某种纳米结构和进行碳复合的方法可以有效解决低的电子电导率和体积膨胀的问题。研究表明，空心球这种纳米结构，可以最大程度的容纳体积膨胀，增加电极和电解液之间的接触面积，减小离子和电子的传输通道，有效的提高材料的电化学性能。另外，通过碳包覆也会进一步提高材料的导电性。

另外，制备三氧化二钒中空微球的方法是通过金属离子和有机配体进行水热反应然后在进行热处理。

发明内容

本发明针对上述现有的科学问题，提出了一种碳限域的三氧化二钒中空微球及其制备方法，其制备工艺简单，符合绿色化学的要求，所得到的的碳限域的三氧化二钒中空微球具有优良的电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：碳限域的三氧化二钒中空微球的制备方法，包括有以下步骤：

S1称取1～3mmol钒源加入到DMF中，搅拌，得到深绿色澄清溶液A；

S2称取10～20mmol有机配体加入到DMF中，得到透明澄清溶液B，将B加入到步骤S1得到的A溶液中，进行搅拌；

S3将步骤S2中所得到的混合溶液转入反应釜中，进行水热反应，然后取出自然冷却至室温，得到深绿色悬浊液；

S4将步骤S3中得到的悬浊液进行离心洗涤，烘干；

S5将步骤S4得到的干燥产物置于高温管式炉中进行烧结处理，取出后得到黑色产物，即为碳限域的三氧化二钒中空微球产物。

按上述方案，步骤S1中所用的钒源为乙酰丙酮钒，步骤2)中所用的有机配体是二甲基咪唑。

按上述方案，步骤S3中水热温度为200℃～220℃，水热时间为12h～24h。

按上述方案，步骤S4所述洗涤为用无水乙醇洗涤3～6次。

按上述方案，步骤S5中采用的烧结气氛为Ar气体，升温速率为2～5℃/mim，热处理温度为450～550℃，热处理时间为3～6h。