[发明专利]锂离子电池正极材料磷酸钒锂/碳纳米复合介孔微球的仿生合成方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种具有良好电化学性能的磷酸钒锂/碳(Li₃V₂(PO₄)₃/C)纳米复合介孔微球的仿生合成方法，属于锂离子电池正极材料技术领域。

(二)背景技术

磷酸钒锂(Li₃V₂(PO₄)₃)因具有原材料廉价丰富、结构稳定，放电平台(平均为4.0V)和理论能量密度(780Wh/Kg)较高，可逆性好，无记忆效应，自放电小，循环寿命长，污染小，而成为重要的锂离子电池正极材料。磷酸钒锂具有三个可以自由嵌入脱出的锂，使其最高理论容量达到197mAh/g，且高电压充电效率好。因此，磷酸钒锂引起了国内外人们极大的关注，被认为是极具应用潜力的锂离子电池。但是由于材料本身结构而导致的较低的离子和电子电导率，造成高倍率放电性能较差，限制了它用作动力锂离子电池正极材料的实际应用。

目前，现有技术制备Li₃V₂(PO₄)₃有多种方法，Burba等采用离子交换法合成Li₃V₂(PO₄)₃，参见：Burba C M，Frecg R.Vibrational spectroscopic studies of monoclinic and rhombohedral Li₃V₂(PO₄)₃[J].Solid State Ionics，2007，177：3445-3454.。该方法组分均匀、合成温度低、颗粒细，但存在合成过程复杂，周期长、不容易操作，产物批次质量稳定性差、成本高等缺点；Saidi等采用碳热还原法合成了磷酸钒锂，参见： M.Y.，Barker J.，Huang H.，Swoyer J.L.and Adamson G..，Performance characteristics of lithium vanadium phosphate as a cathode material for lithium-ion batteries，Journal of Power Sources，2003，119-121，266-272。该方法可提高材料导电性，但存在反应时间过长，产物均匀性和堆积密度较差等缺点；Zhu等人利用溶胶-凝胶法合成磷酸钒锂，参见：Zhu X.J.，Liu Y.X.，Geng L.M.and Chen L.B.，Synthesis and performance of lithium vanadium phosphate as cathode materials for lithium ion batteries by a sol-gel method，Journal of Power Sources，2008，184(2)，578-582。该方法化学均匀性好、热处理温度低、粒径小且分布窄、易于控制，但干燥收缩大、工业化生产困难、合成周期长。

另外，目前有关合成Li₃V₂(PO₄)₃材料也有一些专利文件公开，例如，CN1785798A公开了一种用溶胶凝胶法制备磷酸钒锂的方法，该方法利用有机配体可以与金属配位形成配合物的原理，使初始原料在分子级别下混合，制得的材料颗粒较小，放电容量较高；CN101106194A公开了一种纳米颗粒二次成型液相法合成磷酸钒锂基体外包覆碳正极材料的方法，该方法容易操作、降低成本而且得到的正极材料纯度高、放电容量高、循环稳定性好，缺点是操作步骤繁多，生产周期较长。

以上科技文献和专利文件集中在对已有合成方法的改进和磷酸钒锂的改性方面，主要通过掺杂、包覆碳等提高电导率，但是这些方法都存在着固有的缺点，如合成温度高、工艺复杂、周期长、条件苛刻、成本高以及合成的磷酸钒锂电化学性能不理想等缺点，磷酸钒锂材料的合成技术、性能方面未见有实质性突破。合成的磷酸钒锂因综合性能不理想而难以满足动力电池的需要。目前，国内外根据锂离子电池的市场需求，急需有新的合成技术以期进一步提高磷酸钒锂的综合性能，降低合成成本，从而满足新能源领域对锂离子电池正极材料的需要。

(三)发明内容