[发明专利]一种锂离子电池用NaVO3负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料化学领域及高能电池材料技术，具体涉及一种锂离子电池用NaVO₃负极材料及其制备方法。

背景技术

能源和环境是当今人类面临的两大问题。目前，化石燃料是人类生产生活的主要能源。随着社会的发展，全球的能源需求量日益增长，化石燃料等不可再生资源将日渐枯竭。同时，传统化石能源的大量消耗是引起温室效应，雾霾等问题的主要因素，对环境产生了严重的影响。开发风能、地热能、太阳能等新能源迫在眉睫，但是风能等新能源具有间歇性，需要大规模储能系统保证其输出的连续性。因此，能源的储存和转换已成为人类面临的严峻挑战。在目前各种技术中，锂离子电池由于具有工作电压高、容量高、自放电小、循环寿命长，无记忆效应等优点广泛应用于手机，笔记本电脑，相机等便携式电子产品，并成为电动汽车（包括EV和HEV等）和大规模储能系统用动力电源的重要选择。

近年来，石墨作为锂离子电池负极材料得到了广泛的使用，是目前商业化锂离子电池的主流负极材料，随着研究人员的不断改性，性能比最初应用时有了较大改善，但是其仍然存在理论容量较低（372 mAh g^-1）等缺陷，限制了锂离子电池的进一步的应用。过渡金属氧化物由于其较高的可逆容量得到了广泛研究，其中钒基嵌锂电极材料由于具有成本相对低廉，高容量等特点而成为关注的热点。Kim等[J. Power Sources, 244(2013)557]以V₂O₅和Li₂CO₃为原料，通过高温固相法制备了Li₃VO₄，同时通过以V₂O₅和LiOH溶液为原料，混合均匀后再固相烧结制备了粒径更小，更均匀的Li₃VO₄，将其作为锂电负极材料，在0.2C（1C=100 mAh g^-1）下循环100周后比容量保持在190 mAh g^-1，其平均放电电压比Li₄Ti₅O₁₂低，具有良好的应用前景。Ni等[J. Power Sources, 248(2014)122]通过水热法制备前驱体，再高温烧结制备了首次放电比容量高达624 mAh g^-1的Li₃VO₄，循环100次后放电比容量仍有396 mAh g^-1，体现了材料良好的循环稳定性，通过分析电极不同扫速下的CV曲线，发现充放电过程是由锂离子扩散控制。材料的形貌，颗粒尺寸，产物的纯度均是影响Li₃VO₄电化学性能的重要因素，通过控制反应条件制备尺寸均一，具有特殊形貌如纳米球，core-shell结构的材料，缩短Li⁺的扩散距离，增加活性材料与电解液的接触，可以有效提高材料的电化学性能。通过碳包覆，与石墨烯和碳纳米管进行复合等提高材料的导电性也对材料性能提升具有积极影响。Yang等[Journal of Materials Chemistry A, 4(2016)7165]通过喷雾干燥的方法制备了Li₃VO₄/C中空球，0.5C时放电比容量稳定在395 mAh g^-1，80C时仍有125 mAh g^-1，在10C下循环3000次后放电比容量高达250 mAh g^-1,体现了其优异的倍率性能和循环稳定性。Mai等[Nanoscal, 6(2014)11072]通过水热法制备了中空Li₃VO₄/CNT复合物，与商业化的LiFePO4组装成全电池，开路电压达到2.5 V，在2A g^-1电流密度下最初的几次循环比容量超过300 mAh g^-1，500次循环后容量为185 mAh g^-1，容量衰减率为45%，与商业化LiFePO₄的衰减率（42%）接近，因此全电池的衰减主要受LiFePO₄限制，体现了Li₃VO₄/CNT作为锂电负极材料良好的应用前景。