本发明专利技术公开了一种LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料及其制备方法，所述复合正极材料由LiFePO4、V2O5与Graphene三种纳米材料以5~8:1~4:1的重量比组成，其中：LiFePO4、V2O5沉积在Graphene表面。这种基于磷酸铁锂的复合正极材料，可以充分利用各种材料独具的优点并弥补其他材料的不足，从而表现出突出的协同效应。基于其功能和形貌方面良好的协同效应，本发明专利技术的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料2C条件下循环100次仍然具有140 mAh·g‑1的比容量，可以作为一种优良的锂离子电池正极材料。本发明专利技术采用超声辅助的液相自组装法具有低成本、结构稳定的特点，并且能够精确地控制纳米材料的形貌、负载密度与分布。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源材料
，涉及一种高性能磷酸铁锂复合材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池已经成为便携式电子设备、电动工具和电动车的主要驱动电源之一。随着这些电器的蓬勃发展，对锂离子电池的安全性能及其电化学性能也提出了越来越高的要求。其中磷酸铁锂（LiFePO4）电池是目前备受瞩目的商业化锂离子电池，该材料中因引入高稳定性PO4聚阴离子基团而具有良好的热稳定性和安全性，同时铁和磷元素具有储量丰富、价格低廉和环境友好等优点，因此引发了LiFePO4型锂离子电池的研究热潮。目前制约LiFePO4材料发展的问题主要在于其较差的电导率和较低的比容量。LiFePO4的电子电导率在10-9 S/cm 量级，被认为是小极化子传导机制，Li+的活化能约0.3~0.5 eV，表观扩散系数约10-10～10-15 cm2/s，导致材料的倍率性能差。为提高其倍率性能，1999年M. Armand 等提出碳包覆的方法显著提高了LiFePO4的电化学活性。Takahashi等和Yamada 等把材料纳米化，缩短扩散路径。这些工作都可以通过提高其电导率而优化其倍率性能，遗憾的是对提高比容量没有帮助。LiFePO4材料的理论比容量为170 mAh·g-1，实际比容量一般为130~140 mAh·g-1，远低于负极材料的比容量，限制了高比能量锂离子电池的发展。然而，同时解决LiFePO4低电导率和低比容量两大缺陷，存在着巨大的技术难题，检索目前公开资料，尚属空白。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料及其制备方法，充分利用石墨烯材料优异的导电性能和V2O5正极材料突出的比容量（442 mAh·g-1），将LiFePO4纳米粒子/纳米棒与V2O5纳米线/纳米棒/纳米粒子沉积在石墨烯纳米片表面，构筑一种LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料。这种基于磷酸铁锂的复合正极材料，可以充分利用各种材料独具的优点并弥补其他材料的不足，从而表现出突出的协同效应：（1）主相活性材料LiFePO4提供了富有保障的热稳定性和安全性；（2）次相活性材料V2O5赋予了高比容量特性；（3）石墨烯材料不仅提供良好的电导率，而且其优越的力学性能可以缓解充放电过程中的结构应力；（4）低维的LiFePO4和V2O5纳米材料可以作为阻隔剂防止石墨烯纳米片的堆叠；（5）石墨烯材料作为基体可以“锚固”LiFePO4和V2O5活性材料，从而抑制活性材料的堆积或团聚。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料，由LiFePO4、V2O5与Graphene三种纳米材料组成，其中：LiFePO4、V2O5沉积在Graphene纳表面，LiFePO4、V2O5与Graphene的重量比为5~8:1~4:1。本专利技术中，所述LiFePO4、V2O5与Graphene的重量比可以为：8:1:1、7:2:1，6:3:1、5:4:1中的一种比例，该重量比根据复合材料所要求的电化学特性进行确定。本专利技术中，所述的Graphene是指Graphene纳米片。本专利技术中，所述的Graphene纳米片是指横向尺寸在微米级、纵向拥有1~10层的Graphene纳米片。本专利技术中，所述的Graphene纳米片是指采用化学气相沉积法或者液相剥离法制备的Graphene纳米片。本专利技术中，所述的纳米V2O5是指V2O5纳米线、V2O5纳米棒或V2O5纳米粒子。本专利技术中，所述的V2O5纳米线是指采用水热法制备的V2O5纳米线。本专利技术中，所述的V2O5纳米棒是指采用络合法制备的V2O5纳米棒。本专利技术中，所述的V2O5纳米粒子是指采用原位生长法制备的V2O5纳米粒子。本专利技术中，所述的纳米LiFePO4是指LiFePO4纳米粒子或LiFePO4纳米棒。本专利技术中，所述的LiFePO4纳米粒子或LiFePO4纳米棒是指采用水热法制备的LiFePO4纳米粒子或LiFePO4纳米棒。一种上述LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料的制备方法，其具体实施步骤如下：（1）将Graphene纳米片其转移到四氢呋喃（THF）中；（2）将LiFePO4纳米粒子或LiFePO4纳米棒转移到THF中；（3）将V2O5纳米线、V2O5纳米棒或V2O5纳米粒子转移到THF中；（4）当V2O5为V2O5纳米线或V2O5纳米棒时，将上述三种溶液以一定比例混合后进行搅拌和超声，在降低系统的自由能的驱动力下，采用范德华力自组装法组装成LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料；当V2O5为V2O5纳米粒子时，将（1）与（2）中所制备溶液以一定比例混合后同时进行搅拌和超声，组装成LiFePO4―Graphene二元复合材料后，随后通过原位生长法将V2O5沉积在LiFePO4―Graphene二元复合材料中，制备出LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料。在上面关于复合材料的表述上已经说明了LiFePO4、V2O5、Graphene三者的纳米形态及制备方法，因此在制备方法中不需要再给出纳米形态及制备方法步骤（4）中采用的是两种方法，因此在权利要求书中写成了两个独立的权利要求本专利技术中，步骤（4）所述的搅拌为磁力搅拌，所述的超声强度为80~180 W，搅拌和超声时间为6~12小时。本专利技术具有如下优点：1、本专利技术制备的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料相比纯的LiFePO4正极材料在可逆容量、倍率性能和循环稳定性等各方面表现出了明显的性能优势。2、本专利技术的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料的功能特征为：主相活性材料LiFePO4提供了富有保障的热稳定性和安全性；次相活性材料V2O5赋予了高比容量特性；而Graphene材料提供了良好的电导率，为电极内部、集流体到电极提供有效的电子传输。3、本专利技术的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料的形貌特征为：Graphene纳米片具有良好的柔韧性和弹性，可以缓冲循环过程中的应力，抑制体积变化带来的电极结构损坏；同时石墨烯材料作为基体可以“锚固”LiFePO4和V2O5活性材料，从而抑制活性材料的堆积或团聚；低维的LiFePO4和V2O5纳米材料可以作为阻隔剂防止石墨烯纳米片的堆叠。4、基于其功能和形貌方面良好的协同效应，本专利技术的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料2C条件下循环100次仍然具有140 mAh·g-1的比容量，可以作为一种优良的锂离子电池正极材料。5、本专利技术采用一种超声辅助的液相自组装法，具有低成本、结构稳定的特点，并且能够精确地控制纳米材料的形貌、负载密度与分布。附图说明图1为实施例1中LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料的SEM图。图2为实施例1中LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料的SEM图及其相应的EDS图。图3为实施例1中LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料的XPS图。图4 为实施例1中LiFePO4正极材料的电化学特性：（a）0.05C放电前三次充放电曲线图，（b）0.05C放电循环性能本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料，其特征在于所述LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料由LiFePO4、V2O5与Graphene三种纳米材料以5~8:1~4:1的重量比组成，其中：LiFePO4、V2O5沉积在Graphene表面，Graphene是指Graphene纳米片，V2O5是指V2O5纳米线、V2O5纳米棒或V2O5纳米粒子，LiFePO4是指LiFePO4纳米粒子或LiFePO4纳米棒。
【技术特征摘要】
1.一种LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料，其特征在于所述LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料由LiFePO4、V2O5与Graphene三种纳米材料以5~8:1~4:1的重量比组成，其中：LiFePO4、V2O5沉积在Graphene表面，Graphene是指Graphene纳米片，V2O5是指V2O5纳米线、V2O5纳米棒或V2O5纳米粒子，LiFePO4是指LiFePO4纳米粒子或LiFePO4纳米棒。2.根据权利要求1所述的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料，其特征在于所述LiFePO4、V2O5与Graphene的重量比为8:1:1、7:2:1，6:3:1、5:4:1中的一种比例。3.根据权利要求1所述的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料，其特征在于所述Graphene纳米片采用化学气相沉积法或者液相剥离法制备而成。4.根据权利要求1或3所述的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料，其特征在于所述Graphene纳米片是指横向尺寸在微米级、纵向拥有1~10层的Graphene纳米片。5.根据权利要求1所述的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料，其特征在于所述V2O5纳米线采用水热法制备而成。6.根据权利要求1所述的LiFePO4―V2O5―Graphene复合正极材料，其特征在于所述V2O5纳米棒采用络合法制备而成。7.根据权利要求1所述的L...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓东，孙克宁，马汝甲，高啸天，
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
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