一种锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯及其制备方法技术

一种锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯及其制备方法，将偏钒酸铵溶解在去离子水中，得到NH4VO3溶液，记为A溶液；将氧化石墨烯溶解在去离子水中，得到0.2‑1.0g/L的氧化石墨烯溶液，记为B溶液；将A溶液和B溶液混合，得到C溶液；将C溶液在120‑170℃下保温120‑180min，到锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯复合材料。本发明专利技术材料的微观结构是棒状NH4V3O8均匀的原位生长在石墨烯片层上，片层状形貌为Li+的脱嵌提供了更多的活性位点，使活性物质能够更充分的与电解液接触，促进了Li+的嵌入和脱出，解决了NH4V3O8导电性差的缺点，从而提升了材料的电化学性能。本发明专利技术工艺简单，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种锂离子电池正极材料制备
，具体涉及一种锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯及其制备方法。
技术介绍
随着社会的发展，能源问题成为制约社会发展的主要问题，化石燃料的燃烧导致全球气候变暖。为了社会更好的发展，人类对于清洁能源的需求提出了更高的要求，同时也对新能源的发展提供了更好的契机。而锂离子电池具有比能量高、功率密度高、循环寿命长、自放电小、性能价格比高等优点，已经广泛应用于便携式电子产品、电动交通工具、大型动力电源等领域。正极材料约占整个锂离子电池成本的35-40％，是发展的关键。同时，如果将电池中的正极材料活性物质的比容量提高50％，那么整个电池的比容量将提高28％左右，同等条件下换作负极材料的活性物质，整个电池比容量提高13％，因此对锂离子电池正极材料的研究与开发就显得尤为重要。NH4V3O8是在LiV3O8的基础上提出来的，它与LiV3O8一样都是层状结构，属于单斜晶系的P21/m点群，在NH4V3O8的结构中，V3O8层沿着c轴紧密连接起来，具有较大半径的NH4+有效增大[V＝O8]-层之间的层间距，促进Li+的快速传输，还可以在层间形成分子内氢键，稳定其晶体结构，因而NH4V3O8具有比LiV3O8的更优异的结构稳定性，研究还发现其实际放电容量不低于LiV3O8，且成本更低，是一种更有发展前景的锂离子电池正极材料。目前通过沉淀法、水热法所制备出的NH4V3O8具有纳米棒状、纳米带状、纳米线状以及花球状等形貌，这些纳米结构明显提高了NH4V3O8的容量和循环性能。但由于NH4V3O8低的电导率，作为电池正极材料，其倍率性能有待进一步提高。所以，通过与具有高导电性的石墨烯的复合，来提高NH4V3O8的电导率，对于研究高性能的锂离子电池正极材料具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯及其制备方法，该方法通过与石墨烯的复合来提高NH4V3O8材料的导电率，进而提高其倍率性能，并且本专利技术采用了一种简单、快速、易控的合成方法，具有工艺操作简单、反应温度低、反应时间短、所得粉体化学组成均一的特点。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯的制备方法，包括如下步骤：1)将偏钒酸铵溶解在去离子水中，得到NH4+的浓度为0.05-0.15mol/L的NH4VO3溶液，记为A溶液；2)将氧化石墨烯溶解在去离子水中，置于25-40℃水浴中搅拌、、超声分散后，得到0.2-1.0g/L的氧化石墨烯溶液，记为B溶液；3)将A溶液和B溶液混合，调节pH值为2.0-6.0，得到C溶液；4)将C溶液置于反应釜中，然后将反应釜置于水热合成反应仪中，由室温升温到120-170℃并保温120-180min，然后自然冷却至室温；5)将反应釜中的悬浮液离心分离得到粉体产物，用去离子水和无水乙醇洗涤浸泡，然后干燥、冷却，得到锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯复合材料。本专利技术进一步的改进在于，所述偏钒酸铵为分析纯；步骤1)中的去离子水的温度为35-60℃。本专利技术进一步的改进在于，所述步骤2)中氧化石墨烯溶液的浓度为0.4-0.6g/L。本专利技术进一步的改进在于，所述搅拌的转速为1000r/min，搅拌的时间为10min；超声的功率为200-400W，超声的时间为1-2h。本专利技术进一步的改进在于，所述pH值是采用0.5-3mol/L的盐酸溶液调节的。本专利技术进一步的改进在于，所述步骤4)中反应釜的内衬材质为聚四氟乙烯，外釜材质为304不锈钢，温度采用铂电阻进行测量；所述反应釜的体积填充比为60％。本专利技术进一步的改进在于，所述用去离子水和无水乙醇洗涤浸泡的具体过程为：先将粉体产物用去离子水浸泡20min，洗涤5次，然后再用无水乙醇浸泡20min，洗涤5次。本专利技术进一步的改进在于，所述干燥是在电热真空干燥箱中进行的。本专利技术进一步的改进在于，所述干燥温度为50-70℃，干燥时间为5-10h；以8℃/min的升温速率升温至120-170℃。一种锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯，该钒酸铵/石墨烯结构为棒状形貌的NH4V3O8分布在石墨烯片层上，并且NH4V3O8的直径为40～80nm。相对于现有技术，本专利技术具有的有益效果：通过采用感应加热水热方法实现NH4V3O8和石墨烯的键合复合，采用水热加热方法有利于降低反应温度，节约能源，并且整个反应过程中无废弃物排放，有利于环境保护。其微观结构是棒状NH4V3O8均匀的原位生长在石墨烯片层上，片层状形貌为Li+的脱嵌提供了更多的活性位点，使活性物质能够更充分的与电解液接触，促进了Li+的嵌入和脱出，解决了NH4V3O8导电性差的缺点，从而提升了材料的电化学性能。由于VO3-的水解和缩聚过程与溶液的pH值、温度等条件息息相关，因此本专利技术所采用的溶液pH值能够制备出纯相的NH4V3O8，能够与石墨烯形成键合复合。经过30次充放电循环，放电比容量逐步升高到220.6mAh/g。本专利技术工艺简单，易于实现。附图说明图1为本专利技术实施例2制备的NH4V3O8/石墨烯复合材料的X射线衍射(XRD)图谱。图2为本专利技术实施例2制备的NH4V3O8/石墨烯复合材料的扫描电镜(SEM)照片。图3为本专利技术实施例2制备的NH4V3O8/石墨烯复合材料倍率性能曲线。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术做更近一步的解释。下列实施例仅用于说明本专利技术，但并不用来限定专利技术的实施范围。实施例11)将分析纯的偏钒酸铵(NH4VO3)溶解在适量的40℃的去离子水中，磁力搅拌0.5h，使偏钒酸铵充分溶解，配制成NH4+的浓度为0.1mol/L的NH4VO3溶液，记为A溶液；2)采用Hummers方法制备的氧化石墨烯12mg，加入60mL室温条件下的去离子水中，然后25℃水浴中1000r/min下搅拌10min后，400W下超声120min，每隔0.5h磁力搅拌10min，得到B溶液；3)分别取A溶液和B溶液各30mL，混合搅拌20min，采用2mol/L的盐酸溶液调节pH值为3.0，得到C溶液；4)将C溶液加入到耐高温的密闭304不锈钢反应釜内胆中，内胆材质为聚四氟乙烯，体积填充比为60％，再将不锈钢反应釜拧紧后置于程序控制烘箱中以8℃/min的升温速率升温至140℃并恒温保持120min，自然冷却至室温后，得到悬浮液；其中，温度采用铂电阻进行测量；5)将悬浮液离心分离得到粉体产物，再将粉体产物用去离子水和无水乙醇分别浸泡10min，分别用无水乙醇和去离子水清洗三次，然后将产物置于60℃的真空干燥箱中干燥8h，待冷却至室温后充分研磨，得到具有键和复合的锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯。实施例21)将分析纯的偏钒酸铵(NH4VO3)溶解在适量的45℃的去离子水中，磁力搅拌0.5h，使偏钒酸铵充分溶解，配制成NH4+的浓度为0.05mol/L的NH4VO3溶液，记为A溶液；2)采用Hummers方法制备的氧化石墨烯20mg，加入60mL室温条件下的去离子水中，然后40℃水浴中1000r/min下搅拌10min后，在200W下超声80min，每隔0.5h磁力搅拌10min，得到B溶液；3)分别取A溶液和B溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将偏钒酸铵溶解在去离子水中，得到NH4+的浓度为0.05‑0.15mol/L的NH4VO3溶液，记为A溶液；2)将氧化石墨烯溶解在去离子水中，置于25‑40℃水浴中搅拌、超声分散后，得到0.2‑1.0g/L的氧化石墨烯溶液，记为B溶液；3)将A溶液和B溶液混合，调节pH值为2.0‑6.0，得到C溶液；4)将C溶液置于反应釜中，然后将反应釜置于水热合成反应仪中，由室温升温到120‑170℃并保温120‑180min，然后自然冷却至室温；5)将反应釜中的悬浮液离心分离得到粉体产物，用去离子水和无水乙醇洗涤浸泡，然后干燥、冷却，得到锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将偏钒酸铵溶解在去离子水中，得到NH4+的浓度为0.05-0.15mol/L的NH4VO3溶液，记为A溶液；2)将氧化石墨烯溶解在去离子水中，置于25-40℃水浴中搅拌、超声分散后，得到0.2-1.0g/L的氧化石墨烯溶液，记为B溶液；3)将A溶液和B溶液混合，调节pH值为2.0-6.0，得到C溶液；4)将C溶液置于反应釜中，然后将反应釜置于水热合成反应仪中，由室温升温到120-170℃并保温120-180min，然后自然冷却至室温；5)将反应釜中的悬浮液离心分离得到粉体产物，用去离子水和无水乙醇洗涤浸泡，然后干燥、冷却，得到锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯复合材料。2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯的制备方法，其特征在于，所述偏钒酸铵为分析纯；步骤1)中的去离子水的温度为35-60℃。3.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中氧化石墨烯溶液的浓度为0.4-0.6g/L。4.根据权利要求1所述的锂离子电池正极材料钒酸铵/石墨烯的制备方法，其特征在于，所述搅拌的转速为1000r/min，搅拌的时间为10min；超声的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑锋，寇领江，曹丽云，李嘉胤，费杰，欧阳海波，李翠艳，吴建鹏，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61