[发明专利]杂化双和三组分主体-客体纳米复合材料和其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及可用作锂电池阴极的活性组分的杂化有机-无机纳米复合材料，并且涉及制备该纳米复合材料的方法。

背景技术

锂电池是能够充电和放电的能量储存和产生器件。这种电池被广泛用作各种便携式电子器件(例如手机、照相机、音频唱机、便携式电脑等)用的自给能源。重量轻并且具有较高充电/放电容量的电池的开发是自给能量的重要问题。

典型的锂电池包括阴极、电解质和阳极。阴极材料的充电/放电特性是决定能量储存容量的重要因素。基于钴、锰、镍和钒的结晶氧化物是研究最多的用于锂电池中的阴极材料的材料。商业化LiCoO₂具有高氧化还原电势以及长期稳定性。然而，这类材料往往昂贵和有毒性同时还具有低的充电/放电容量。由于其足够高的氧化还原电势和相关的低成本，因此LiMn₂O₄被认为是传统LiCoO₂的替代物。然而，该材料也遭受低充电/放电容量和循环中的长期稳定性的影响。尽管由于其理论上比LiCoO₂更好的放电容量，因此LiNiO₂是另一种潜在的阴极材料，但就其制备而言该材料表现出显著的难度。对于V₂O₅的情形，就充电/放电循环中材料的稳定性而言有缺陷。因此，迫切需要创造新的电极材料以克服已知的结晶过渡金属氧化物的缺点。

近年来在便携式电子器件领域中的趋势集中于降低能耗，这需要创造具有相对低工作电压和高能量密度的电源。为了符合该目的，需要具有高充电/放电容量的电池。

对于基于氧化钒(V₂O₅)和导电聚合物(CP)的双组分杂化主体-客体纳米复合材料，已观察到对电化学锂插入有改进的放电容量：V₂O₅与插层的聚苯胺(PAn)的纳米复合材料，其被Nazar等[E.Leroux，G.Goward，W.P.Power和L.F.Nazar的“Electrochemical Li Insertion into Conductive Polymer/V₂O₅ Nanocomposites”，Journal of Materials Chemistry，1995，卷5，第1985页]、Gómez-Romero等[M.Lira-Cantú和P.Gómez-Romero的“The Organic-Inorganic Polyaniline/V₂O₅ System.Application as a High-Capacity Hybrid Cathode for Rechargeable Lithium Batteries”，Journal of the Electrochemical Society，1999，卷146，第2029页]、Buttry等[F.Huguenin，R.M.Torresi和D.A.Buttry，Journal of the Electrochemical Society，2002，卷149，第A546页]公开；V₂O₅与插层的聚吡咯(PPy)和聚噻吩(PTh)的纳米复合材料，其被Nazar等[G.Goward，E.Leroux和L.F.Nazar的“Poly(pyrrole)and Poly(thiophene)/Vanadium Oxide nanocomposites：Positive Electrodes for Lithium Bateries”，Electrochimica Acta，1998，卷43，第1307页]公开；V₂O₅与插层的聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)的纳米复合材料，其被Murugan等[A.V.Murugan，B.B.Kale，C.-W.Kwon，G.Campet和K.Vijayamohanan的“Synthesis and characterization of a new organo-inorganic poly(3，4-ethylene dioxythiophene)PEDOT/V₂O₅nanocomposite by intercalation”，Journal of Materials Chemistry，2001，卷11，第2470页]公开。另外，与双组分纳米复合材料相比，对于V₂O₅-基三组分杂化主体-客体纳米复合材料，已观察到对电化学锂插入有改进的放电容量和充电/放电循环能力：聚(2，5-二巯基-1，3，4-噻二唑)-PAn-V₂O₅纳米复合材料，其被Park等[US 6,582,850]公开；PAn-聚环氧乙烷(PEO)-V₂O₅，其被Pokhodenko等[UA Pat.No.16318]公开。