[发明专利]一种超高倍率锂离子电池纳米正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料化学领域及高能电池材料技术，具体涉及一种新型的具有超高倍率性能 的锂离子电池NaV₃O₈纳米正极材料及其合成工艺。

背景技术

锂离子电池具有体积小、质量轻、比容量大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优 点。目前已广泛应用于便携式移动工具、数码产品、人造卫星、航空航天等领域，在混和动 力汽车和纯电动汽车等领域也具有非常广阔的前景。目前市场上的主流正极材料为层状锂钴 氧和磷酸亚铁锂，前者由于Co毒性大，资源严重稀缺，实际比容量较低(仅140mAh g^-1)， 且过充性能不理想，后者虽然具有优秀的热稳定性能和循环性能，但是电子电导率很小，电 压平台低，实际利用的容量不到150mAh g^-1，两者都无法有效满足下一代移动电源对于高能 高功率电池的需求。因此，科研工作者们积极开发其它体系低成本的高容量、高倍率正极材 料以作为替代。

近年来，钒酸系嵌锂电极材料由于具有成本低廉，相对环保，高容量等特点而成为关注 的热点。其中，研究最多是LiV₃O₈。该材料具有单斜结构，属于P2₁/m点群。LiV₃O₈单元是 两层V₃O₈^-中夹有锂离子的夹心饼结构。晶体中的VO₆八面体和VO₅三角双锥以共顶方式连 接，中间形成一个八面体空位，锂离子占据了八面体的间隙位置，额外的锂离子占据层间的 四面体间隙位置。特殊的结构使得LiV₃O₈在锂离子脱嵌过程中具有较好的结构稳定性。不过， 研究发现，LiV₃O₈材料的放电容量和循环寿命与材料的合成方法及后续的热处理过程密切相 关。非晶态的LiV₃O₈由于扩散路经短，锂离子能够快速的嵌入和脱出，每摩尔最多可以嵌入 9个锂离子，比容量很高，但是稳定性差。传统的高温固相法一般是将Li₂CO₃与V₂O₅按化学 计量比混和均匀，于650℃烧结制得。放电容量只有180mAh g^-1。Si等[Journal of Alloys and Compounds，486(2009)400]以尿素为燃料，采用低温燃烧法制备了容量高达340mAh/g的 LiV₃O₈。但是该材料的容量衰减较大，30次循环后低于250mAh/g。Zhou等[Solid State Ionics， 179(2008)1763]以EDTA辅助的溶胶凝胶法结合固相烧结工艺制备了LiV₃O₈。研究发现， 550℃15h烧结后的材料在0.1mA/g的首次放电容量为251.7mAh/g，平均每次循环的容量衰减 率为0.43％。相关研究表明，相比于其它体系的钒酸盐材料，LiV₃O₈虽然具有更好的结构稳 定性，但其性能离实际应用还有很长的路。