[发明专利]磷酸钒锂/碳异质介孔纳米线材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及磷酸钒锂/碳异质介孔纳米线材料及其制备方法，该材料可作为高功率长寿命锂离子电池正极活性材料。

背景技术

锂离子电池作为一种绿色电化学储能器件，被广泛应用于手机、笔记本电脑等便携设备，并被作为动力电源的最佳选择。锂离子电池的能量密度高，然而其较低的离子与电子传输速率导致其倍率特性较差、功率密度较低。其中，倍率特性较差即电池所需的充电时间较长，输出功率较低，因此较低的功率密度限制了锂离子电池在混合动力汽车及纯电动汽车中的应用；同时锂离子电池电极材料在充放电过程中，电极材料会发生膨胀收缩造成内部应力，使得材料结构破坏，失去活性，导致其使用寿命缩短。因此，研究基于新型纳米电极材料的大容量、高功率、长寿命、低成本锂离子电池是当前低碳经济时代锂离子电池研究的前沿和热点之一。纳米材料具有高的比表面积以及更好的活性，作为锂离子电池电极材料时与电解液接触面积大、锂离子脱嵌距离短，能有效提高材料的电活性，作为高功率锂离子电池电极材料时具有显著的优势。纳米线结构能够提供连续的电子传输路径，纳米线之间只要经过几个点的有效接触便可实现电子传输网络，在高性能锂离子电池中的研发与运用中有着独特的优势。

作为典型的磷酸盐体系化合物，钒酸钒锂因其多电子反应和晶体内部连续的三维锂离子扩散通道，并由于稳定的结构和良好的热稳定性，为锂离子在快速扩散提供便利。然而其本身差的导电性阻碍了电化学反应的有效进行，近年来，纳米钒酸钒锂材料作为锂离子电池正极材料已被广泛研究，但是磷酸钒锂/碳异质介孔纳米线材料仍鲜有报道，利用简单、方便、低成本的方法合成高性能的磷酸钒锂/碳异质介孔纳米线电极材料具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出磷酸钒锂/碳异质介孔纳米线材料及其制备方法，其工艺简单，所得的磷酸钒锂/碳异质介孔纳米线材料具有优良电化学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：设计合成磷酸钒锂/碳异质介孔纳米线材料，其由介孔纳米线呈束状捆绕而成，其中单根介孔纳米线的直径为50～200纳米，长度为5～20微米，其内部孔结构的孔径为2～20纳米；其为由下述方法制备得到的产物，包括有以下步骤：

1）称取V₂O₅粉末于去离子水中得到悬浊液；

2）向步骤1）所得悬浊液中加入草酸，于水浴中充分搅拌直至形成澄清溶液；

3）向步骤2）所得溶液中加入锂源与磷酸源的混合溶液，其中每摩尔V₂O₅对应3摩尔的锂源和3摩尔的磷酸源，保持水浴并继续搅拌；

4）将十六烷基三甲基溴化铵加入去离子水中，水浴搅拌直至其充分溶解，形成十六烷基三甲基溴化铵溶液；

5）向步骤3）所得的溶液中加入步骤4）所得十六烷基三甲基溴化铵溶液，保持水浴并继续搅拌；

6）将步骤5）所得的液体转移至反应釜中，加热进行反应，取出反应釜，自然冷却至室温；

7）将步骤6）所得的产物直接干燥，干燥后的粉末在惰性或还原性气氛中煅烧，得到磷酸钒锂/碳异质介孔纳米线材料；

按上述方案，步骤2）所述的加入草酸的量为每摩尔V₂O₅对应3～4摩尔草酸，水浴温度为70～90℃。

按上述方案，步骤3）所述的锂源为碳酸锂、氢氧化锂或乙酸锂，磷酸源为磷酸或磷酸二氢铵。

按上述方案，步骤4）所述的加入十六烷基三甲基溴化铵的量为每摩尔V₂O₅对应1～2摩尔十六烷基三甲基溴化铵，水浴温度为60～90℃。

按上述方案，步骤6）所述的加热反应温度为160～200℃，时间为24～72小时。

按上述方案，步骤7）所述的惰性气氛为纯氩气或纯氮气，所述的还原性气氛为氩气与氢气体积比为95:5的混合气。

按上述方案，步骤7）所述的煅烧温度为720～800℃，煅烧时间为6～12小时。

所述的磷酸钒锂/碳异质介孔纳米线材料的制备方法，包括有以下步骤：

1）称取V₂O₅粉末于去离子水中得到悬浊液；

2）向步骤1）所得悬浊液中加入草酸，于水浴中充分搅拌直至形成澄清溶液；

3）向步骤2）所得溶液中加入锂源与磷酸源的混合溶液，其中每摩尔V₂O₅对应3摩尔的锂源和3摩尔的磷酸源，保持水浴并继续搅拌；