一种多孔微纳结构V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔微纳结构V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法，利用静电喷雾法在铝箔上喷射制得含有目标材料的聚合物前驱体，经烧结和还原工艺，最后得到多孔微纳结构V2O5/C材料。通过制备参数的调控可以得到亚微米球、微米球或微米管等不同结构的多孔V2O5/C复合材料。这种多孔微纳结构V2O5/C材料用于锂离子电池正极材料，制备工艺简单、周期短、易操作，原料便宜易得，无需额外的碳包覆工艺即可实现包碳，可提高V2O5的电导率，同时利用其独特的多孔结构、微纳结构以及碳包覆层的协同效应，弥补V2O5循环过程中体积变化大和电导率低的缺陷，发挥出优异的电化学综合性能。

Preparation method of porous micro nano structure V2O5/C cathode material for lithium ion battery

The invention discloses a method for preparing a porous micro nano structure of cathode material V2O5/C for lithium ion batteries, polymer precursor injection prepared containing the target material on the aluminum foil by using electrostatic spray method after sintering and reduction process, and finally get the porous micro nano structure materials V2O5/C. The porous V2O5/C composites with different structures, such as submicron spheres, micro spheres or micro tubes, can be obtained by adjusting the preparation parameters. The porous micro nano structure materials V2O5/C for lithium ion battery anode material, simple preparation process, short cycle, easy operation, cheap and easily obtained raw materials, without additional carbon coating process can realize carbon coating can increase V2O5, conductivity, and use its unique porous structure, micro nano structure and the synergistic effect of carbon coating the volume for V2O5 cycle changes in conductivity and low defects play excellent electrochemical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔微纳结构V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法
本专利技术属于化学电源领域，涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法，具体涉及一种利用静电喷雾法制备多孔微纳结构V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法。
技术介绍
能源和环境问题已经成为制约人类社会可持续发展的突出问题。因此，寻找一种清洁、可再生的能源成为了人类亟待解决的问题。太阳能、风能和核能等可再生能源因具有非连续性难以直接利用。化学电源可以将这些能源进行储存和转换，对能源的高效利用、环境保护和可持续发展等都有重大意义。其中锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、自放电小、无记忆效应、环境友好等优点，自上世纪90年代商品化以来，就在社会各个领域发挥着不可替代的作用。作为一类重要的化学电源，锂离子电池由手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子设备所用电池和潜艇、航天、航空领域所用电池，逐步走向电动汽车动力领域，并初步实现了储能的示范作用，对锂离子电池的比能量、比功率和循环寿命等性能提出了更高的要求。锂离子电池主要由正极、负极和电解质这三部分组成，其中电极材料及其结构在绝大程度上决定了电池的性能。特别是当前商用正极材料，容量一般在180mAh·g-1以下，普遍低于商业化的石墨负极材料(理论容量达到372mAh·g-1)更远低于新型硅基材料(理论容量高达4200mAh·g-1)，因此正极材料的研究一直是锂离子电池研究与开发的核心，人们对正极材料的研究也将不断深入和完善。V2O5作为一种典型的层状材料具有独特的嵌锂优势。目前新型结构的正极材料V2O5与已商业化的LiCoO2(274·mA·h·g-1)、LiMn2O4(148mA·h·g-1)、LiFePO4(170mA·h·g-1)等正极材料相比，具有较高的理论比容量(储存3个Li+时为440mA·h·g-1，储存2个Li+时为294mA·h·g-1)。但是V2O5也存在着以下缺点：(1)、由于在脱嵌锂的过程中体积发生变化，导致较差的循环性能；(2)、较低的电导率(10-3S·cm-1-10-2S·cm-1)和较低的扩散系数(10-12cm-2·s-1)，导致较差的倍率性能；这两个缺点使得V2O5作为锂离子电池正极材料难以满足对快速充放电的要求，限制了V2O5在锂离子电池中的商业应用。现阶段，人们在改善V2O5正极材料的电化学性能方面做了大量工作。在张红来的硕士学位论文《聚合物微凝胶模板法制备纳米碳结构电极材料及电化学性能研究》和申请号为201410635144.4的中国专利申请提供了一种V2O5纳米材料的制备方法。该方法首先采用乳液聚合法合成交联的PMMA微凝胶球作为模板，利用PMMA微凝胶球中羧基(-COO-)基团与VO2+之间的静电引力作用，将VO2+吸附于PMMA微凝胶球的三维网孔中，惰性气氛中锻烧后得到多孔V2O5/C复合微球，具有较好的电化学性能。然而，该方法工艺较复杂，难以大规模工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术存在的缺陷与不足，提供一种利用静电喷雾法制备多孔微纳结构V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法，具有优异的电化学综合性能。本专利技术中，所述其V2O5/C锂离子电池正极材料有碳包覆的V2O5纳米复合颗粒聚集而成较大的微米/亚微米结构，纳米复合颗粒间具有丰富的多孔结构，这些多孔结构不仅可以减缓在循环过程中所引起的体积的变化，而且有利于电解液对活性材料的充分浸润，从而可以提高正极材料的循环性能和比能量。本专利技术中，所述纳米结构是指具有纳米尺度的碳包覆的V2O5粒子，可以缩短锂离子和电子的扩散路径使其具有较高的循环性能，而微米结构是指由这些纳米离子聚集而成的微米/亚微米结构，相比纳米材料可以提高其振实密度，此外，碳层的存在可提高正极材料的导电性。本专利技术中，所述的微米/亚微米结构是指亚微米球或微米球或微米管。上述多孔微纳结构V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法，其具体实施步骤如下：(1)以N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为粘结剂，草酸(H2C2O4)为络合剂，偏钒酸铵(NH4VO3)为钒源，配制前驱体聚合物溶液。本步骤中所述的DMF为8-10g，PVP分子量为10000-1300000、PVP加入量为1-3g，H2C2O4浓度为4.2*10-3mol/L-4.2mol/L，NH4VO3浓度为2.1*10-3mol/L-2.1mol/L。(2)将配置好的前驱体聚合物溶液装进医用注射器中，并将注射器固定在蠕动泵上，连接高压电源正极，将铝箔固定在收集基板上，连接高压电源负极。(3)设定靶基距、喷射电压和喷射速度。启动蠕动泵，开启高压电源开关，使前驱体聚合物溶液在高压电场力作用下从注射器喷射到铝箔上。本步骤中，所述的靶基距为18cm-20cm，喷射电压为15-25kV，喷射速度为0.1-0.5ml/h。(4)将注射后带有样品的铝箔放在鼓风干燥箱中于80℃，干燥24h。(5)从铝箔上收集样品置于陶瓷坩埚中，放入马弗炉中，在空气气氛下300-400℃煅烧30min，升温速率为0.1℃/min-1℃/min使有机物前驱体分解、挥发，得到纯相的多孔微纳结构的V2O5/C复合材料。本专利技术相对于现有技术具有如下优点：(1)静电喷雾工艺简单、周期短、易操作，原料便宜易得。(2)无需额外的碳包覆工艺即可实现包碳，以提高V2O5的电导率。(3)通过制备参数的调控可以得到不同结构的V2O5/C复合材料。比如多孔微纳结构的亚微米球或微米球或微米管。附图说明图1为静电喷雾法制备的多孔亚微米球形结构V2O5/C材料的SEM图；图2为静电喷雾法制备的多孔亚微米球形结构V2O5/C材料的XRDTEM图；图3为静电喷雾法制备的多孔亚微米球形结构V2O5/C材料的XRD图；图4为多孔亚微米球形结构V2O5/C材料装成电池测得的CV曲线；图5为多孔亚微米球形结构V2O5/C材料装成电池前三次循环的充放电曲线；图6为多孔亚微米球形结构V2O5/C材料装成电池倍率性能测试。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。实施例1为弥补V2O5循环过程中体积变化大和电导率低的缺陷，本实施例提供了一种利用静电喷雾法制备亚微米尺度多孔微纳结构球形V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法，利用其独特的亚微米级多孔球形结构、微纳结构以及碳包覆层的协同效应，发挥出优异的电化学综合性能。(1)以10gN，N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，2g聚乙烯吡咯烷酮(PVP,分子量为10000)为粘结剂，草酸(H2C2O4，浓度为4.2mol/L)为络合剂，偏钒酸铵(NH4VO3，浓度为2.1mol/L)为钒源，配制前驱体聚合物溶液。(2)将配置好的前驱体聚合物溶液装进医用注射器中，并将注射器固定在蠕动泵上，连接高压电源正极，将铝箔固定在收集基板上，连接高压电源负极。(3)设定靶基距为20cm、喷射电压为25kV和喷射速度为0.1ml/h。启动蠕动泵，开启高压电源开关，使前驱体聚合物溶液在高压电场力作用下从注射器喷射到铝箔上。(4)将注射后带有样品的铝箔放在鼓风干燥箱本文档来自技高网...

【技术保护点】
多孔微纳结构V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法，其具体实施步骤如下：以N，N‑二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为粘结剂，草酸(H2C2O4)为络合剂，偏钒酸铵(NH4VO3)为钒源，配制前驱体聚合物溶液，所述DMF浓度为0.8g/mL‑10g/mL，PVP分子量为10000‑1300000、PVP浓度为0.1g/mL‑0.3g/mL，H2C2O4浓度为4.2*10

【技术特征摘要】
1.多孔微纳结构V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法，其具体实施步骤如下：以N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为粘结剂，草酸(H2C2O4)为络合剂，偏钒酸铵(NH4VO3)为钒源，配制前驱体聚合物溶液，所述DMF浓度为0.8g/mL-10g/mL，PVP分子量为10000-1300000、PVP浓度为0.1g/mL-0.3g/mL，H2C2O4浓度为4.2*10-3mol/L-4.2mol/L，NH4VO3浓度为2.1*10-3mol/L-2.1mol/L。2.根据权利要求1所述的多孔微纳结构V2O5/C锂离子电池正极材料的制备方法，其特征在于将配置好的前驱体聚合物溶液装进医用注射器中，并将注射器固定在蠕动泵上，连接高压电源正极，将铝箔固定在收集基板上，连接高压电源负极。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙克宁，朱晓东，屈财玉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23