[发明专利]一种改性五氧化二钒正极材料及其制备和应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及高容量、高能量密度锂离子电池领域，具体涉及一种预嵌锂改性五氧化二钒正极材料及其制备方法，和采用该材料制备锂离子电池的应用方法。

背景技术

锂离子电池以其体积小、质量轻、能量密度高、长循环寿命、无记忆效应、环境友好等优点被广泛地应用在各种便捷式电子器件中，并逐渐改变人们的生活。但是随着便捷式电子电器的功能增强，小型化的锂离子电池的续航能力和能量密度日益不能满足这些器件发展的需要。另外，作为混合动力汽车（HEV）和电动汽车(EV)动力电源用的大型化的锂离子电池，目前，其能量密度为100Wh/kg左右，是铅酸电池的2.5倍，镍氢电池的1.5倍。但电池的重量仍然较大，HEV的锂电池模块重量为20～100kg，EV的锂电池模块重量更是高达300～400kg，大大影响了汽车的性能。因此，研发高容量、高能量密度的锂离子电池对缓解能源短缺，改善环境，发展国民经济和保障国家安全具有重大意义。

电池的能量密度首先取决于电极材料的能量密度。目前，商品化的锂离子电池负极材料的比容量在400mAh/g以下，而正极材料实际比容量大约在140mAh/g，并且难以进一步大幅提高能量密度。同时，目前商品化的锂离子电池用正极材料都存在着一些缺点：

1、商品化的层状正极材料LiCoO₂，实际比容量仅为其理论容量（274mAh/g）的50%左右，钴的利用率较低。该材料虽然已在小型电池中得到广泛应用，但是其除了受到钴资源的制约因素外,其过充不安全性决定了它不可能在大容量电池中得到应用；参考文献：J.R.Ying,C.Y.Jiang,C.R.Wan,“Preparation and characterization of high-density spherical LiCoO₂cathode material for lithium ion batteries”Journal of Power Sources,2004(129):264.

2、人们期望尖晶石LiMn₂O₄（理论容量：148mAh/g）能凭其价廉以及相对LiCoO₂安全的优势在大容量电池中发挥作用，但针对它的容量低及高温循环性能差的缺点也一直限制着它的利用；参考文献：E.Hosono,T.Kudo,I.Honma,H.Matsuda,H.S.Zhou,“Synthesis of single crystalline spinel LiMn2O4nanowires for a lithium ion battery with high power density”Nano Letters,2009(9):1045.

3、1997年Goodenough等首次报道具有橄榄石型结构的LiFePO₄（理论容量：170mAh/g）能可逆地嵌入和脱嵌锂离子，考虑到其对环境友好、原材料来源丰富、循环性能好，认为将成为锂离子电池的理想正极材料。但因其导电性差，不适宜大电流充放电，无法实际应用，所以当时未受到重视。近年来，随着对各种改善其导电性的方法研究的深入，该类材料的导电性已达实用水平。但是磷酸铁锂的一致性很差（至今没有解决），导致组装成大电池后循环性能差，另外其170mAh/g的理论容量也限制了它的利用。参考文献：G.X.Wang,H.Liu,J.Liu,S.Z.Qiao,G.M.Lu,P.Munro,H.Ahn,“Mesoporous LiFePO₄/C nanocomposite cathode materials for high power lithium ion batteries with superior performance”,Advanced Materials,2010(22):4944.

能否研发出新的，具有高能量密度、高循环稳定性、高倍率性能的正极材料是目前锂离子电池发展的瓶颈。与上述正极材料的实际比容量140mAh/g左右相比，五氧化二钒正极材料因为可嵌入或脱出多个Li+离子，从而可以释放更高的理论比容量（高达442mAh/g）。参考文献：梁叔全、潘安强、刘军、钟杰、陈涛、周江，“锂离子电池纳米钒基正极材料的研究进展”，中国有色金属学报，2011(10):2448。另外，五氧化二钒还具有储量丰富，合成简便，成本低等优势。因此，五氧化二钒体系是研发新型高性能锂离子电池正极材料的理想选择之一。