[发明专利]一种硼酸钒锰材料、碳包覆硼酸钒锰材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，公开了一种硼酸钒锰材料、碳包覆硼酸钒锰材料及其制备方法和应用。所述硼酸钒锰材料的制备步骤包括如下：取含锰化合物、含钒化合物和含硼化合物为原料，混合后进行研磨处理，得到前驱体混合物；前驱体混合物在200～450℃进行加热处理，然后冷却后研磨得到粉末状的中间产物；将中间产物在还原气氛下于600～900℃烧结5～72h，即制得所述硼酸钒锰材料。所述碳包覆硼酸钒锰材料是在硼酸钒锰材料制备过程中加入含碳材料。所述碳包覆硼酸钒锰材料制备得到的锂离子电池负极具有较高的可逆放电比容量，和较低的放电电压以及良好的循环倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种硼酸钒锰材料、碳包覆硼酸钒锰材料及其制备方法和应用。

背景技术

在目前已报道的众多电池体系中，锂离子电池因其对环境友好、高能量转化效率高、循环寿命长和自放电小等优势而广泛应用在便携式电子设备、新能源汽车和智能电网储能领域。随着新一代的电子产品及电动汽车的开发与应用，对电池的性能要求日益提升，对电池的质量与体积比容量、输出电压、稳定性、快速充放电能力、循环寿命等也提出更高的要求。

锂离子电池，是指以两种能够可逆储存和释放锂离子的化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池体系。在充电时，正极材料中的锂离子可以自由地脱离正极穿过隔膜向负极方向迁移，并最终进入负极材料中；在放电时，负极材料中的锂离子从负极脱出并穿过隔膜向正极方向迁移并嵌入正极材料中。因此，锂离子电池也被称作“摇椅电池”。锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜等，其中正负极材料的选择和质量直接决定了锂离子电池的性能与价格。纵观锂离子电池的应用情况，关于其技术研究的重点在于提高电池性能，提高安全性，降低成本。

目前广泛应用于商品化锂离子电池的负极材料是以石墨为代表的碳材料。但是石墨的比容量低，在有机电解液中会形成钝化层，引起首次库伦效率偏低，存在明显的电压滞后现象，以及嵌锂电位过低导致安全性问题，使得寻找新型锂离子电池负极材料成为相关研究的热点。

研究表明，聚阴离子型化合物是一类具有应用价值的锂离子电池负极材料，与石墨负极材料相比，聚阴离子型负极材料具有较高的放电电压和可逆容量。其中，金属硼酸盐因具有环境友好、比容量高、资源丰富的优势而成为具有发展前景的新兴负极材料。从物质组成的角度看，硼酸根的摩尔质量小，使硼酸盐的理论比容量相对较高，而且硼元素的电负性小于磷元素的电负性，导致聚阴离子的诱导效应减小，使得硼酸盐材料的嵌锂电位比相应的磷酸盐低0.4V，更适合作为负极材料，同时较弱的诱导作用使硼酸盐负极材料使嵌锂电位略高于金属锂负极，不容易产生锂枝晶短路。此外，硼原子具有高度的亲氧性，可与氧原子配位形成一系列B-O原子基团，这些基团又与氧原子形成环状、笼状而后再聚合成链、片、网状，这种结构的多样性必将带来多样化的性能。另一方面，过渡金属离子具备多重价态，能够完成负极材料在脱嵌锂过程中的价态变化，通过替换不同的金属元素还可以调节放电平台的电位。因此，金属硼酸盐负极材料，近期受到了人们的广泛关注。

目前金属硼酸盐负极材料的反应机制主要是转化反应，在电池充放电循环过程中，材料与锂不断完成可逆的转化反应，其关键的技术问题是，转化反应的可逆程度低导致电池的循环性差，以及放电平台不明显或是偏高。例如Fe₃BO₆和Cr₃BO₆，首次放电比容量分别为965mAh/g和1016mAh/g，可是在循环十几圈后，比容量分别衰减到300mAh/g(15圈)和280mAh/g(10圈)；放电电压平台为1.6V和1.0V，作为电池负极，偏高的放电平均电压，降低了电池的能量密度。

发明内容

为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要任务在于提供一种硼酸钒锰材料及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种碳包覆硼酸钒锰材料及其制备方法。