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一种碳包覆磷酸钒锂柔性电极的制备方法技术

技术编号:21897068 阅读:42 留言:0更新日期:2019-08-17 16:35
本发明专利技术涉及一种碳包覆磷酸钒锂(LVP)柔性电极的制备方法,将乙酰丙酮氧钒、醋酸锂、磷酸溶于氮氮二甲基甲酰胺溶剂中,充分溶解后加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌得到绿色粘稠透明溶液,通过静电纺丝设备制得前驱布,将前驱布干燥后在惰性气体保护下加热处理,制备得到碳包覆磷酸钒锂柔性电极。与现有技术相比,本发明专利技术制得的柔性碳包覆LVP柔性电极结构为:碳纤维上均匀的分布着碳包覆的LVP纳米球,因而具有出色的倍率性能;且该柔性LVP电极可直接作为电极片,无需添加粘结剂、导电剂,也不需要集流体担载活性物质,因而具有较高的能量密度。

Preparation of a Carbon-coated Lithium Vanadium Phosphate Flexible Electrode

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆磷酸钒锂柔性电极的制备方法
本专利技术涉及锂离子电池电极制备领域,尤其是涉及一种碳包覆磷酸钒锂柔性电极的制备方法。
技术介绍
与传统正极材料磷酸铁锂相比,快离子导体型磷酸钒锂具有更高的电压平台,更快的离子扩散系数和更优异的高低温耐受力,被视为最有潜力的锂电正极材料之一。纳米级磷酸钒锂具有更高的锂离子扩散系数,更大的有效接触面积以及更优异的循环稳定性。同时,柔性电极设计可以使得制备过程无需添加粘结剂,导电剂且不需要集流体,有效地增大了电极的能量密度,降低了电池的重量。一般磷酸钒锂可以在高温惰性还原气体条件下通过煅烧磷酸钒锂的前驱物合成。例如,1.将碳酸锂,五氧化二钒,磷酸二氢铵按一定比例研磨后,在800℃氢气氩气混合气氛下煅烧8-24小时,即可获得纯相磷酸钒锂。2.随着时间的推移,现在可以将醋酸锂,磷酸二氢铵,偏钒酸铵溶于含草酸溶液,使钒离子在溶液中从五价直接变为三价。干燥溶液后获得的磷酸钒锂前驱体可直接在氮气气氛下煅烧,而不需要还原性气氛。3.水热法亦可作为一种有效手段来合成纳米结构LVP,将LVP前驱溶液与表面活性剂混合,倒入特氟龙内衬并锁入钢釜中,在200℃下保温24小时后,离心出沉淀并在惰性气氛下煅烧得到纳米级LVP。其他也有微波辅助法、硬模板法等合成纳米LVP。上述制备纳米LVP的方法虽各有特色,但是大多数合成出的LVP为粉末状,需要经过进一步涂片出才可用作电极。常规制备LVP电极时需要将合成好的LVP粉末与粘结剂,导电剂和氮氮二甲基甲酰胺溶液混合在一起搅浆,涂在铜或铝的集流体上,干燥后方能组装电池。然而,电极片中的导电剂,粘结剂以及集流体,都无法提供容量,换言之,这些物质的存在将降低整个电极的能量密度。目前锂电池发展的瓶颈在于电池的能量密度较低,难以满足大型设备,如电动汽车的需求。静电纺丝制备三维网络结构磷酸钒锂正极材料也有报道,需在磷酸钒锂溶胶纺丝液中加入硝酸镍或醋酸镍,并加入聚丙烯腈-N,N-二甲基甲酰胺;经纺丝,预氧化、N2气氛热处理得到磷酸钒锂正极材料。其结构特征主要由磷酸钒锂单晶纳米线和磷酸钒锂纳米纤维交叉组成,但由于磷酸钒锂表面缺少碳包覆,材料倍率性能不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种碳包覆磷酸钒锂柔性电极的制备方法,可直接用于电池组装,无需粘结剂,导电剂以及集流体。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现:一种碳包覆磷酸钒锂柔性电极的制备方法,将乙酰丙酮氧钒、醋酸锂、磷酸溶于氮氮二甲基甲酰胺溶剂中,充分溶解后加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌得到绿色粘稠透明溶液;通过静电纺丝设备制得前驱布,将前驱布干燥后在惰性气体保护下加热处理,制备得到碳包覆磷酸钒锂柔性电极,具体采用以下步骤:1)将乙酰丙酮氧钒、醋酸锂、磷酸溶于氮氮二甲基甲酰胺溶剂中,搅拌均匀后继续加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌得到绿色粘稠透明溶液;2)将的制得的溶液用注射器抽满,置于静电纺丝设备的蠕动泵上,通过静电纺丝设备制得前驱布;3)将得到的前驱布置于真空干燥箱中进行干燥处理;4)将干燥后的前驱布置于管式炉中,在氮气气氛下升温处理,得到碳包覆磷酸钒锂柔性电极。所述乙酰丙酮氧钒、醋酸锂、磷酸的摩尔比为2:3:3。所述磷酸溶液为质量百分比在50-85wt%之间的粘稠状浓溶液,所述聚乙烯吡咯烷酮的K值在50-120之间。所述乙酰丙酮氧钒在溶液中浓度范围在0.01-0.5mol/mL之间,所述聚乙烯吡咯烷酮在溶液中的浓度在0.01-0.5g/mL之间。纺丝液的浓度会影响自身的表面张力,表面张力对静电纺丝的针头出口处喷丝的形貌有着巨大的影响,如果浓度太稀,则表面张力过低会引起珠化现象,导致最终的电极片失去柔性:而浓度过大则会引起喷头堵塞,无法纺丝。所述蠕动泵推动注射器的推进速度设置为0.5-1mL/h,如果推进过快,则会产生过多的纺丝液无法喷射至接收板而团聚在针头端,引起针头堵塞:如果推进过慢,则没有足够的纺丝液到达接收板会造成喷丝不连续,导致最终产物没有柔性。静电纺丝设备的电纺仪电压为15-25kV,过低会不出丝;过高机器会自燃。所述真空干燥箱的温度控制在80-100℃,干燥处理时间控制为12-24h。升温处理过程中不断通入氮气,升温速率为5℃/min,升温至800-1000℃,再保温处理12-24h。与现有技术相比,本专利技术具有以下优点:1)本专利技术通过将乙酰丙酮氧钒,醋酸锂和磷酸按比例溶于氮氮二甲基甲酰胺溶剂中,充分溶解后加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌得到绿色粘稠透明溶液;通过电纺过程制得前驱布,再经过干燥与加热处理,得到柔性LVP电极。该LVP电极通过电镜观察,是尺寸均匀、粒径大小为120nm的LVP纳米球与碳纤维,LVP球均匀的分布在碳纤维上,制得的LVP纳米球为单斜相结构,具有结晶度高、相态纯净,形貌和尺寸均一,无团聚的优点。本专利技术克服了传统的纳米LVP制备方法中制备的纳米LVP具有的尺寸不均匀、易团聚等缺点。纳米材料比表面大,表面能高,因此会相互团聚以降低表面能,从而达到一种稳定的状态,本申请中的LVP颗粒表面有碳层包覆,降低了表面能,同时结构中的三维碳纤维也为LVP纳米球提供了基底,使其固定在碳纤维上而不易团聚。2)本专利技术得到的柔性LVP电极可直接用于电池组装,无需导电剂,粘结剂和集流体,因而能够提升电池能量密度。通过控制前驱电纺液浓度(PVP的用量),可以调控LVP电极片的微观形貌,并确保LVP电极片的柔性。本专利技术还可以很容易拓展到其他正极材料柔性电极的制备。附图说明图1为实施例1制得的PVP浓度为0.04g/ml时LVP前驱布的低倍扫描电镜照片。图2为实施例2制得的PVP浓度为0.06g/ml时LVP前驱布的低倍扫描电镜照片。图3为实施例3制得的PVP浓度为0.08g/ml时LVP前驱布的低倍扫描电镜照片。图4为实施例4制得的PVP浓度为0.1g/ml时LVP前驱布的低倍扫描电镜照片。图5为实施例4制得的柔性LVP电极片的X射线衍射图。图6为实施例4制得的柔性LVP电极片的扫描电镜照片。图7为实施例4制得的柔性LVP电极片的高分辨透射电镜照片。图8为实施例4制得的柔性LVP电极片的电化学性能测试图(a为LVP的循环伏安曲线,材料一共存在三对氧化还原峰。b为LVP的充放电曲线,材料一共有三个充放电平台,且容量在120mAh/g左右。c为倍率性能图,表明材料在5C电流密度下,仍然保留极高的容量。d是循环稳定性图,表明材料经过500次循环充放电,几乎没有衰减。)具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术,但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本专利技术构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。一种柔性磷酸钒锂(LVP)电极的制备方法,将乙酰丙酮氧钒,醋酸锂和磷酸按比例溶于氮氮二甲基甲酰胺溶剂(DMF)中,充分溶解后得到的深绿色溶液通过静电纺丝设备在一定条件下制得前驱布,将前驱布干燥后在惰性气体保护下加热到800C,得到最终柔性LVP电极;其中,乙酰丙酮氧钒,醋酸锂和磷酸的物质的量的比为2:3:3。它具体包括以下步骤:1)将乙酰丙酮氧钒、醋酸锂、磷酸溶于DMF溶剂中本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种碳包覆磷酸钒锂柔性电极的制备方法,其特征在于,将乙酰丙酮氧钒、醋酸锂、磷酸溶于氮氮二甲基甲酰胺溶剂中,充分溶解后充分溶解后加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌得到绿色粘稠透明溶液;通过静电纺丝设备制得前驱布,将前驱布干燥后在惰性气体保护下加热处理,制备得到碳包覆磷酸钒锂柔性电极。

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆磷酸钒锂柔性电极的制备方法,其特征在于,将乙酰丙酮氧钒、醋酸锂、磷酸溶于氮氮二甲基甲酰胺溶剂中,充分溶解后充分溶解后加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌得到绿色粘稠透明溶液;通过静电纺丝设备制得前驱布,将前驱布干燥后在惰性气体保护下加热处理,制备得到碳包覆磷酸钒锂柔性电极。2.根据权利要求1所述的一种碳包覆磷酸钒锂柔性电极的制备方法,其特征在于,该方法具体采用以下步骤:1)将乙酰丙酮氧钒、醋酸锂、磷酸溶于氮氮二甲基甲酰胺溶剂中,搅拌均匀后继续加入聚乙烯吡咯烷酮,搅拌得到绿色粘稠透明溶液;2)将的制得的溶液用注射器抽满,置于静电纺丝设备的蠕动泵上,通过静电纺丝设备制得前驱布;3)将得到的前驱布置于真空干燥箱中进行干燥处理;4)将干燥后的前驱布置于管式炉中,在氮气气氛下升温处理,得到碳包覆磷酸钒锂柔性电极。3.根据权利要求1或2所述的一种碳包覆磷酸钒锂柔性电极的制备方法,其特征在于,所述乙酰丙酮氧钒、醋酸锂、磷酸的摩尔比为2:3:3。4.根据权利要求2所述的一种碳包覆磷酸钒锂柔性电...

【专利技术属性】
技术研发人员:张任远黄云辉张怡
申请(专利权)人:同济大学
类型:发明
国别省市:上海,31

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