[发明专利]一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法。

背景技术

伴随全球气候变暖，传统不可再生能源短缺等问题的日益严重，亟须一种新型的绿色化学能源的出现来改善这种局面。锂离子电池由于具有比能量高，循环寿命长、绿色环保、安全可靠等诸多优点备受世界各国的广泛关注。目前锂离子电池已广泛应用于便携式设备电源，混合动力汽车以及大型储能设备。

    锂离子电池正极材料是电池的关键和核心部分，目前研究较多的有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及三元材料。钴酸锂价格昂贵且毒性大，锰酸锂热稳定性较差，镍酸锂的合成步骤繁琐，磷酸铁锂比容量低，三元材料安全性较差，而磷酸矾锂正极材料不仅理论比容量高达197mAh﹒g^-1，且热稳定性好，能在较宽的温度范围内稳定工作，因此成为新型锂离子电池正极材料的主要研究方向。研究发现，纳米结构的磷酸矾锂具有较高的比表面积，能够为锂离子提供更多的嵌入-脱嵌通道；此外，其独特的纳米尺寸能有效地缩短锂离子的扩散距离，显著提高锂离子的迁移速率，因而表现出较好的电化学性能。

近年来，已有大量的报道涉及磷酸钒锂的制备方法，主要有高温固相法、碳热还原法以及溶胶-凝胶法。相比而言，关于水热法制备磷酸钒锂的报道比较少。高温固相法制备的磷酸钒锂虽然过程简单，但是其产物颗粒尺寸较大，电化学性能较差；碳热还原法制备的材料振实密度较低；溶胶-凝胶法虽然制备出尺寸较小，电化学性能较好的磷酸矾锂，但是其合成工艺过于复杂，过程不易控制，不适合大规模生产。而水热法制得的磷酸钒锂正极材料不仅颗粒粒度分布均匀，结构稳定，而且具有更优的电化学性能。最近，研究者利用表面活性剂SDS（十二烷基磺酸钠），在水热条件下制备出纳米磷酸钒锂。但其使用的SDS后期处理比较困难，不适合工业化生产。本发明所涉及的纳米磷酸矾锂制备方法简单高效，耗时较短，且符合绿色化学的要求，最终制得的产物结晶度高，粒度分布均匀，电化学性能优良。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型纳米磷酸矾锂正极材料的制备方法，所述方法为将钒源、锂源、磷源按照一定的摩尔比例加入到去离子水中得到混合液，再向混合液中加入一定量分散剂PEG、络合剂EDTA形成均匀稳定的溶液。通过水热反应制备粉末状前驱体，随后对其高温煅烧，得到碳包覆的纳米磷酸矾锂材料。本发明所涉及的纳米磷酸矾锂制备方法简单高效，产物结晶度高，粒度分布均匀，电化学性能优良。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法，其特征在于：工艺步骤为：

（1）将钒源、锂源、磷源在电动搅拌下溶解于去离子水，形成溶液Ⅰ，其中钒源、锂源、磷源的摩尔比例为2：3：3；

（2）向溶液Ⅰ中加入PEG，形成溶液Ⅱ，其中PEG和锂源的摩尔比例为0.02～0.1：1；

（3）向溶液Ⅱ中加入EDTA，得溶液Ⅲ，锂源与EDTA摩尔比例为3：1.0～3.5；

（4）将溶液Ⅲ转入含聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，经过温度150～190 ℃的水热反应4～12 h后得到溶液Ⅳ；

（5）将溶液Ⅳ冷却至室温后抽滤，所得滤饼在80℃条件下真空干燥10 h后研磨得到粉末状的前驱体；

（6）在惰性气体的保护下，将粉末状前驱体置于700～950 ℃的马弗炉中煅烧7～12 h，冷却后即可得到纳米磷酸钒锂。

根据所述的一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法，所述钒源为五氧化二钒、偏钒酸铵中的一种或者两种的混合物。

根据所述的一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法，所述的锂源为氢氧化锂、碳酸锂、乙酸锂中的一种、或两种、或三种的混合物。

根据所述的一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法，所述磷源为磷酸、磷酸二氢铵中的一种或者两种的混合物。

根据所述的一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法，所述PEG为聚乙二醇，其分子量为2000。

根据中所述的一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法，所述EDTA为乙二胺四乙酸。

根据所述的一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法，步骤（6）中的惰性气体为氮气或者氩气中的一种。

本发明具有以下优点：  

（1）制备方法简单、反应过程易于控制，符合绿色化学的要求，适合工业化大规模生产；

（2）本发明涉及的原材料来源广泛，价格低廉；