[发明专利]三维多孔分级碳修饰磷酸钒锂纳米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，具体涉及三维多孔分级碳修饰Li₃V₂(PO₄)₃纳米材料的制备方法，该材料可作为锂离子电池正极活性材料。

背景技术

如今，为了进一步促进电动汽车领域的快速发展，研究基于新型纳米结构的高容量、高功率、高稳定性、温度适应性好及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。Li₃V₂(PO4)₃具有结构稳定性好、电位高、热稳定好以及容量高，被认为是最具潜力的锂离子电池正极材料之一。由于单斜相的Li₃V₂(PO4)₃为钠快离子导体结构（NASICON），它可以提供供锂离子嵌入/脱出的三维通道，因而具有高的锂离子扩散系数(10^-9～10^-10cm²s^-1)。但是，Li₃V₂(PO₄)₃的电子电导率较低，最终限制它作为高功率电极材料的应用。

近年来，研究者们探索了很多方法来试图解决Li₃V₂(PO₄)₃电子电导率低的缺点，包括碳包覆、纳米化及掺杂等方式。在众多策略中，碳包覆是一种比较经济和便利的方法。然而，对Li₃V₂(PO₄)₃进行简单的碳包覆并不能大幅提高电极材料的电子电导率。三维双连续通道碳骨架可以提供电子和离子的双重传输通道，降低离子的传输路径，并提高电解液与电极材料的接触面积。但是，以三维多孔分级碳修饰的Li₃V₂(PO₄)₃电极材料还未见报道。因此，三维多孔分级碳修饰Li₃V₂(PO₄)₃电极材料具有比表面积大、电荷传质电阻低和电子电导率改善明显的优势。此外，Li₃V₂(PO₄)₃颗粒之间的碳网可以限制Li₃V₂(PO₄)₃在高温煅烧过程中的颗粒长大和团聚，同时还起到缓冲层的作用，有效防止电极材料在锂离子嵌入/脱出时因体积变化而导致的结构破坏，有效改善电极材料的循环稳定性。同时，三维双连续碳骨架可以显著提高锂离子在电极中的扩散速度，降低其扩散路径，从而降低锂离子电池在低温条件下的极化，最终实现Li₃V₂(PO₄)₃电极材料在高功率、长寿命和高低温电极材料领域的应用，从而得到优异的低温使其成为锂离子电池的潜在应用材料。

另外，制备三维多孔分级碳修饰Li₃V₂(PO₄)₃纳米材料所采用的溶液法简单易行，不需要添加其他有机物，只需要改变反应物的浓度即可控制材料的形貌和尺寸大小，且制得的材料产量高、纯度高、分散性好。

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供一种三维多孔分级碳修饰Li₃V₂(PO₄)₃/C及其制备方法，其工艺简单、符合绿色化学的要求且便于放大化，在此基础上，三维多孔分级碳修饰Li₃V₂(PO₄)₃还具有优良的电化学性能。