一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料及其制备方法、应用，所述方法包括：用溶胶凝胶法制备铌掺杂钒酸锂前驱体材料和PVP溶液，然后将所述铌掺杂钒酸锂前驱体材料与PVP溶液混合制得静电纺丝液，最后将所述静电纺丝液乘装在静电纺丝装置中进行静电纺丝，制得金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料LiV3‑xNbxO8，其中，0

【技术实现步骤摘要】
一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料及其制备方法、应用
本专利技术涉及锂电池材料领域，尤其涉及一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料及其制备方法、应用。
技术介绍
锂离子电池是一种新型的高能量绿色电池，是在二次锂电池的基础上发展起来的，它首先是由索尼公司在1990年研制成功并实现商品化。近年来，锂离子电池的使用领域日益广阔，大到汽车制造，小到数码产品，处处都可以看到锂离子电池大显身手。锂离子电池的最主要组成部分为正、负极材料，这两种材料决定了电池最终的性能优劣。为了提升锂离子电池的性能，研究人员对各种正、负极材料进行了深入地研究。现阶段，锂离子电池的需求日益广泛，研究能量密度高，安全性好，循环性能优秀的电池材料成为了大家关注的焦点。目前市场上常见的锂离子电池正极材料主要包括钴酸锂（LiCoO2），锰酸锂（LiMnO2），镍酸锂（LiNiO2），磷酸铁锂（LiFePO4）等。其中，LiCoO2具有平均电压高、充放电平台稳定等优点，但钴资源有限、价格十分昂贵、而且不够环保，这使得大家不得不开始开发其它材料。镍与钴的性质相近，LiNiO2材料理论比容量高（275mAh·g-1）、功率较大、价格适中。但是在一般情况下，镍较难氧化为+4价，易生成缺锂的材料，使得制备材料时的成本大量增加了。锰系正极材料研究较多的是尖晶石结构的锰酸锂（LiMn2O4）。锰资源非常丰富、环境友好、价格低，制备简单。具有电位高，容量大等特点，然而，LiMn2O4的循环性能和储Li能力不佳，使得实际应用中困难重重。而钒系正极材料具有成本低（价格约为钴的1/20）、环境友好、比容量大、循环性能优等优点，这使得钒酸锂材料十分适合作为一种新型的锂离子电池材料，我国的钒矿资源与生产能力在全世界排列前列，资源丰富。但是目前钒及其化合物材料主要应用于钢铁及催化剂等领域，经济附加值较低，而利用钒作为钒系正极材料研究便使得该材料具有广泛的发展前景。对于钒系正极材料而言，研究主要集中于V2O5、LiV3O8、Li3VO4这三种材料。其中LiV3O8正极材料拥有良好的电化学性能和能量密度，LiV3O8材料的理论容量(400mAh·g-1)远高于LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2等材料，它是典型的单斜晶系层状结构，有利于锂离子更好的嵌入与脱出。拥有多个放电平台以及不错的电压区间使它的应用更为广泛。但是传统的溶胶凝胶法制备的材料粒径很大（约20um），过大的粒径妨碍了锂离子的脱嵌，使得循环性能不佳；并且与电解液的接触不良也影响了材料应有的循环容量。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料及其制备方法、应用，旨在解决现有的钒酸锂材料循环性能差、电容量较低的问题。本专利技术的技术方案如下：一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其中，包括步骤：A、按照Li：V：C6H8O7·H2O：Nb=1：3-x：4：x的化学计量比称取原料偏钒酸铵、乙酸锂、柠檬酸和草酸铌，其中，0<x<0.2；B、将偏钒酸铵、乙酸锂和柠檬酸依次倒入预先加热至60-100℃的去离子水中，反应预定时间后，再加入草酸铌搅拌1-3h，静置成凝胶；C、将所述凝胶进行干燥处理后得到铌掺杂钒酸锂前驱体材料；D、将所述铌掺杂钒酸锂前驱体材料研磨后过300目筛，将筛选后的300目以下的铌掺杂钒酸锂前驱体材料加入到预先配置的PVP溶液中，超声处理后得到静电纺丝液；E、将所述静电纺丝液乘装在静电纺丝装置中进行静电纺丝，制得金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料。所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其中，所述步骤B具体包括：B1、先将偏钒酸铵倒入预先加热至60-100℃的去离子水中，待溶液变为橙黄色的澄清溶液后，再依次缓慢加入乙酸锂和柠檬酸；B2、持续搅拌2-4h，溶液依次由草绿色逐渐变为褐色，最后变为蓝色后再加入草酸铌反应1-3h得到溶胶体系，静置10-13h后形成凝胶。所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其中，所述步骤C具体为：将所述凝胶放置于真空干燥箱中，在80-120℃下干燥10-14h后得到铌掺杂钒酸锂前驱体材料。所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其中，所述步骤D具体包括：D1、将PVP溶于DMF溶剂中，制得质量百分数为8%-20%的PVP溶液；D2、将研磨至300目以下的铌掺杂钒酸锂前驱体材料加入到所述PVP溶液中，经过搅拌超声处理后得到静电纺丝液。所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其中，所述PVP的分子量为500000~1800000。所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其中，所述铌掺杂钒酸锂前驱体材料与PVP按照质量比为1-5:1的比例混合。所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其中，所述步骤E具体包括：E1、将上述静电纺丝液乘装在静电纺丝装置的高压容器中，接收装置为铝箔，静电纺丝参数的设置为：收丝距离为12cm-18cm和/或纺丝电压为12~18KV；E2、开启静电纺丝装置进行静电纺丝，在接收装置的上形成线状纺丝材料；E3、在空气气氛下将所述线状纺丝材料在450℃-550℃条件下煅烧8h-20h得到金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料。所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其中，所述静电纺丝参数的设置还包括：注射泵推速为0.5ml/h；温度为30℃；滚轴转速为1000r/min。一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料，其中，所述纤维状钒酸锂材料采用上述制备方法制备得到，所述金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的化学式为LiV3-xNbxO8，其中，0<x<0.2。一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的应用，其中，将所述金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料用于制备锂离子电池正极。有益效果：本专利技术通过溶胶凝胶法和静电纺丝法，将金属Nb充分掺杂到钒酸锂材料中，形成均匀的线状结构，在解决了钒酸锂材料粒径尺寸过大的同时有效提升了容量、循环性能。本专利技术在制备纤维状结构LiV3-xNbxO8材料的同时还具有形貌均一可控，粒径小，容量高和循环性能佳等一系列优点；进一步地，本专利技术制备的纤维状结构LiV3-xNbxO8材料在高电流密度的循环过程中也表现出了优良的性能。附图说明图1为本专利技术一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法较佳实施例的流程图。图2为实施例1所制备产物LiV2.9Nb0.1O8纺丝后的SEM图。图3为实施例1所制备产物LiV2.9Nb0.1O8煅烧后的SEM图。图4为实施例1所制备产物LiV2.9Nb0.1O8线状材料的TEM图。图5为掺杂Nb的短棒状材料LiV2.9Nb0.1O8与纯LiV3O8在不同电流密度下的循环性能图。图6为掺杂Nb的短棒状材料LiV2.9Nb0.1O8与纯LiV3O8短棒状材料在1C电流密度下的循环性能图。图7为掺杂Nb的短棒状材料LiV2.9Nb0.1O8与纯LiV3O8短棒状材料在20C电流密度下的循环性能图。具体实施方式本专利技术提供一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料及其制备方法、应用，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：A、按照Li：V：C6H8O7·H2O：Nb=1：3‑x：4：x的化学计量比称取原料偏钒酸铵、乙酸锂、柠檬酸和草酸铌，其中，0

【技术特征摘要】
1.一种金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：A、按照Li：V：C6H8O7·H2O：Nb=1：3-x：4：x的化学计量比称取原料偏钒酸铵、乙酸锂、柠檬酸和草酸铌，其中，0<x<0.2；B、将偏钒酸铵、乙酸锂和柠檬酸依次倒入预先加热至60-100℃的去离子水中，反应预定时间后，再加入草酸铌搅拌1-3h，静置成凝胶；C、将所述凝胶进行干燥处理后得到铌掺杂钒酸锂前驱体材料；D、将所述铌掺杂钒酸锂前驱体材料研磨后过300目筛，将筛选后的300目以下的铌掺杂钒酸锂前驱体材料加入到预先配置的PVP溶液中，超声处理后得到静电纺丝液；E、将所述静电纺丝液乘装在静电纺丝装置中进行静电纺丝，制得金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料。2.根据权利要求1所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：B1、先将偏钒酸铵倒入预先加热至60-100℃的去离子水中，待溶液变为橙黄色的澄清溶液后，再依次缓慢加入乙酸锂和柠檬酸；B2、持续搅拌2-4h，溶液依次由草绿色逐渐变为褐色，最后变为蓝色后再加入草酸铌反应1-3h得到溶胶体系，静置10-13h后形成凝胶。3.根据权利要求1所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤C具体为：将所述凝胶放置于真空干燥箱中，在80-120℃下干燥10-14h后得到铌掺杂钒酸锂前驱体材料。4.根据权利要求1所述的金属铌掺杂的纤维状钒酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：D1、将PVP溶于DMF溶剂中，制得质量百分数为8%-20...

【专利技术属性】
技术研发人员：任祥忠，王理平，高原，李永亮，张培新，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44