[发明专利]锂离子电池阴极材料聚吡咯修饰锂钒氧纳米管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池阴极材料聚吡咯修饰锂钒氧纳米管及其制备方法，属于锂离子电池领域。

背景技术

锂离子二次电池是一种清洁、高效、可再生的安全可靠化学能源，由于其具有比容量大、使用寿命长、工作电压高、安全性好、无污染、自放电小且无记忆效应等优点而具有广阔的应用前景。锂离子二次电池自上世纪90年代早期诞生以来，发展极为迅速，并得到了广泛应用。近年来，随着便携式电子器件、电动汽车、能源储存、电动工具、空间技术、国防工业、医学工程等领域的迅猛发展，对锂离子二次电池性能的要求也越来越高，急需研制出高性能的锂离子二次电池。

锂离子二次电池的性能强烈依赖于电极材料，尤其是阴极材料，以及它们的化学组分、晶态结构、微结构、颗粒尺度、表面形貌等，其发展正面临着一系列材料科学与技术的挑战。国际上最新的研究表明，纳米结构材料的奇异特性可以显著提升锂离子二次电池的性能，因此采用纳米结构材料作为电极为高性能锂离子二次电池的发展指明了新的方向。这种新兴纳米结构材料反应活性高，具有极大的表面积和纤细的纳米骨架，可使电解质与电极材料具有巨大的接触面积，能够显著的缩短离子、电子等扩散距离，可使锂离子快速传输，同时这种纳米结构电极材料具有大量的锂离子注入活性位置，而且在充放电循环过程中电极材料几乎没有体积变化，从而能够实现高能量密度、高功率密度和快速充放电功能，而且可逆性、稳定性好。最近著名电池专家J.M.Tarascon教授在《Nature》上撰文指出“纳米材料是未来高效电池电极材料的发展趋势，是电池可持续发展的重要途径”。

目前商用锂离子电池阴极材料大多集中于钴、镍、锰等及其复合氧化物阴极材料上，商业应用已证实这些材料具有高的电位及其稳定性，而且近年来研究发现采用这些氧化物纳米结构的阴极材料，能够进一步提高他们的容量、高速放电性能以及循环耐用性，但是容量仍较低（报道的比容量仅为205mAh/g），而且LiCoO₂价格高、毒性大，标准化学组份的LiNiO₂合成条件苛刻，LiMn₂O₄循环性能不理想等一些因素制约着目前锂离子电池性能的进一步提升，迫切需要研制新兴的高性能阴极材料。

V₂O₅材料由于其特殊的层状结构一直是人们极为关注和研究的理想阴极材料之一。这种材料价格低、原材料丰富、容易合成、能量密度高，最高理论容量为510mAh/g，但其传统结构由于比表面积小、导电率低等问题，很难突破性地提高锂电池的性能。最近纳米棒、纳米线、纳米片、核/壳纳米缆、纳米管等纳米结构V₂O₅阴极材料已成为国际上该领域的研究热点。在这些纳米结构材料中，纳米管结构的V₂O₅阴极材料最具有应用前景，因为同其它纳米结构材料相比，一维纳米管结构的V₂O₅材料具有内壁、外壁、管壁层间以及管底等更加丰富的界面，不仅极大地提高了比表面积，为锂离子的大量嵌入提供了更广阔的空间，而且还提供了许多可充满电解液的通道，显著地缩短了锂离子到达嵌入位置的扩散距离，实现锂离子快速传输，其突破了V₂O₅的传统结构和特性，给高性能锂离子电池的研制与发展开辟了一个崭新的领域。

Spahr等人开创性地以钒的醇盐为原料、十六烷基胺为结构导向模板剂首次合成出氧化钒纳米管阴极材料。之后人们相继以VOCl₃、VOSO₄、V₂O₅等为原材料，以长链胺、有序孔聚碳酸酯膜为模板剂，采用水热合成、电沉积法合成了氧化钒纳米管及其阵列阴极材料，研究了合成条件、不同链长的模板剂、热处理等对纳米管电化学特性的影响。但是，这些纳米管的首次锂离子注入比容量比较低，仅在160-300mAh/g之间，而且循环可逆性能比较差，比容量衰减快，最理想的氧化钒纳米管阵列阴极材料首次循环后比容量下降30%以上。