[发明专利]制备掺杂改性LiVPO4

说明书

本发明公开了制备掺杂改性LiVPO₄F锂离子电池正极材料的方法，按照一定的化学计量比称取锂源、钒源、磷源、氟源、掺杂元素和还原剂，快速并彻底把V⁵⁺还原成V³⁺，形成绿色孔状材料，经过研磨过筛后，置于真空管式炉中，在惰性气氛中加热到650～850℃，保温2～14h后自然冷却，得到改性LiVPO₄F复合材料。解决了LiVPO₄F材料循环稳定性能差等问题，同时掺杂后样品的粒度分布均匀、电导率更高，改善了材料的电化学性能，简化了生产工艺，更易于工业化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池制造技术领域，涉及一步快速化学还原制备掺杂改性LiVPO₄F锂离子电池正极材料的方法。

背景技术

锂离子电池具有较高的工作电压、较大的能量密度、较小的自放电率、无记忆效应和循环性能好等优点，因而已经获得蓬勃的发展，在很多行业都取代了原有的镍镉电池、铅酸电池和镍氢电池。

氟磷酸钒锂(LiVPO₄F)是一种新型的聚阴离子正极材料，与LiAlPO₄F和LiFePO₄·OH 等天然矿物具有相同的晶体结构，属于三斜晶系，其内部为由[PO₄]四面体和[VO₄F₂]八面体构成的三维结构，在这个三维结构中，锂离子分别占据两个不同的位置。LiVPO₄F在[100]、[001]和[011]等三个方向都具有扩散通道，用作锂离子电池正极材料时，Li⁺能在上述三维通道中扩散，具有较高的锂离子扩散系数。LiVPO₄F在充放电过程中，Li⁺的脱出和嵌入与V⁴⁺/V³⁺氧化还原电对密切联系，当锂离子完全脱嵌时形成VPO₄F，此时达到 156mAh/g的理论容量。LiVPO₄F中具有较强电负性的PO₄^3-和F^-结合在一起，不仅将该正极材料的放电电位平台提高到4.2V，还稳定了晶体结构。因此，LiVPO₄F具有能量密度高、电化学性能好、安全性能高等优点，是一种极具应用前景的正极材料。

由于LiVPO₄F正极材料合成过程反应不彻底，且工艺过程复杂等因素而严重制约其进一步发展。因此，研发新的合成工艺并使用掺杂改性来改善LiVPO₄F正极材料电化学性能的方法迫在眉睫。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一步快速化学还原制备掺杂改性LiVPO₄F锂离子电池正极材料的方法，解决LiVPO₄F材料循环稳定性能差等问题，同时掺杂后样品的粒度分布均匀、电导率更高，改善了材料的电化学性能，简化了生产工艺，更易于工业化生产。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是，制备掺杂改性LiVPO₄F锂离子电池正极材料的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，按锂、钒、磷、氟元素摩尔比1:1:1:1的比例称取锂源、钒源、磷源和氟源，并加入摩尔百分比1～10％的掺杂金属化合物；按照还原剂与钒的摩尔比为1:1～2:1加入还原剂，碳源以占总比重的5～20％包覆量添加；

步骤2，将步骤1中称取的原料依次加入蒸馏水的烧杯中配置成0.15～0.25mol/L的溶液，快速磁力搅拌，使还原剂彻底把V⁵⁺还原成V³⁺，形成绿色稠状溶液；

步骤3，将步骤2中绿色稠状溶液置于真空干燥箱中干燥，干燥温度90～100℃，保温10～16h，然后装入玛瑙研钵中研磨得到粉体，并过筛处理；