[发明专利]一种V2O5纳米颗粒/石墨烯锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法，具体是V₂O₅纳米颗粒／石墨烯(V₂O₅-GE)锂离子电池正极材料及其制备方法。 

背景技术

锂离子电池作为一种绿色、可逆的能源，可广泛应用于便携式电子设备及交通设施。目前大多数研究主要集中于提高电池的比能量和使用寿命。由于锂离子电池的储锂性能很大程度上取决于正极材料，因此，许多研究致力于开发新的正极材料来改善锂离子电池的电化学性能。在众多正极材料中，V₂O₅由于其价格低廉，储量丰富，合成容易，并且能量效率和比容量相对较高，引起了人们的关注。V₂O₅是一种典型的层间化合物，具有层状晶体结构，非常有利于Li⁺的可逆插入与脱嵌，在2.0-4.0V电压区间内充放电，理论容量可高达294mAh／g，远比一般的正极材料如LiCoO₂(140mAh／g)，LiMn₂O₄(148mAh／g)和LiFePO₄(170mAh／g)要高得多。 

然而，V₂O₅固有的锂离子扩散系数(约为10-12cm²／s^-1)和导电率较低，这些阻碍了V₂O₅的应用。已有许多文献报道了纳米结构的V₂O₅可作为一种有效方法在一定程度上来改善这些不足，这是由于纳米结构可以缩短Li⁺迁移路径，增大电极与电解液之间的接触。但纳米结构的V₂O₅的电化学性能(包括循环性能及倍率性能)仍受限于电导率、矾盐的溶解及颗粒的团聚。因此，急需进一步改善纳米V₂O₅的性能。与碳材料结合，是一种有效的途径来提高纳米V₂O₅的电化学性能。 

目前，石墨烯作为一种新型碳材料，由于其优异性能而受到人们广泛关注并成为研究热点。石墨烯的碳原子以sp²杂化连接，构成二维蜂窝状晶体结构，使其拥有极大的比表面积，并表现出十分优异的电学、热学和力学性能。将V₂O₅纳米粒子与石墨烯复合制成纳米复合材料，不仅可以有效阻止纳米粒子的团聚，缩短锂离子的迁移距离，提高锂离子脱嵌效率；同时，由于石墨烯的二维柔软性，对纳米粒子包覆能够缓解锂离子脱嵌过程中所造成的体积变化，改善电池的循环稳定性；而且由于石墨烯良好的导电性能，作为支撑材料起到了富集和传递电子作用，有利于减小内阻。 

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种V₂O₅纳米颗粒／石墨烯(V₂O₅-GE)锂离子电池正极材料。 

本发明的目的之二在于提供该正极材料的制备方法。 

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的： 

一种V₂O₅纳米颗粒／石墨烯锂离子电池正极材料，其特征在于，尺寸为20-40nm的V₂O₅纳米颗粒分布在二维透明的石墨烯片状结构表面。 

一种制备上述V₂O₅-GE锂离子电池正极材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为： 

利用改良Hummer法以天然石墨为原料合成氧化石墨；将氧化石墨粉末分散于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，超声处理30min，形成稳定的氧化石墨烯(GO)分散液(1mg／mL)； 

称量一定量的乙酰丙酮钒(IV)(C₅H₈O₂V)加入到上述步骤中的GO分散液，搅拌1h，形成均一稳定的溶液； 

再将上述溶液转移到水热釜中，200℃下反应20小时；冷却至室温后，离心收集黑色沉淀；将得到的沉淀用酒精及去离子水清洗几次，80℃干燥6小时； 

然后将干燥后的沉淀在400℃煅烧2小时，其中升温速率为10℃／min，最终获得V₂O₅-GE锂离子电池正极材料。