一种氮掺杂碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料及制备方法，属于锂离子电池电极材料技术领域。氮掺杂的碳层能够均匀的包覆在Li3V2(PO4)3颗粒表面，包覆层中氮的含量为Li3V2(PO4)3质量的0.03%～5%，碳的含量为Li3V2(PO4)3质量的0.5%～10%。优点在于，氮掺杂碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料具有优异的倍率性能，并且可以在很高的电流密度下稳定的工作,具有较高的比容量和电化学循环稳定性。此外，本发明专利技术方法工艺简单，操作方便，成本低廉，适宜规模化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池电极材料
，特别是涉及一种原位氮掺杂碳包覆Li3V2 (PO4) 3正极材料及其制备方法。
技术介绍
具有NASCI0N结构的Li3V2 (PO4) 3被认为是具有和大发展潜力的锂离子电池正极材料之一。与磷酸铁锂相比，Li3V2 (PO4)3最大的特点是具有相对较大的离子电导率(2. 4X IO-7S/cm)，材料特殊的晶体结构使其能够在充放电过程中顺利的传导锂离子。在电压窗口3-4. 8V范围之内，Li3V2(PO4)3中的3个Li—能够可逆的拖出，理论容量可达到197 mAh/g,即使在3-4. 3V的电压窗口内，Li3V2 (PO4) 3中的2个Li+也_能够可逆的拖出，理论容量可达到133mAh/g。然而，Li3V2 (PO4) 3正极材料在实用化进程之中也存在一些问题，比如较差的电子导电性和较低离子电导率，在大电流放电条件下，材料的极化增大，内阻增大，容量急速 衰减等，这样就限制了材料在很多领域的实际应用。因此，如何提高Li3V2 (PO4)3的导电性能，尤其是高倍率性能，就成为研究Li3V2(PO4)3正极材料的主要目标之一。解决上述问题，人们主要从一下几个方面改进(I)减小材料粒径；(2)其它金属离子掺杂；(2)导电物质包覆等。为了提高Li3V2 (PO4) 3的电子导电性，改善其倍率性能，人们采用碳及其他导电物质对 Li3V2(PO4)3 进行包覆，如在文献(I) Electrochemistry Communications 1 3: 1223中，Lijuan Wang等人采用甘氨酸作为碳源，采用溶胶凝胶的方法合成了 Li3V2(P04)3/C，该材料在3-4. 3V电压窗口内，IC电流密度下容量最高可达125.4 mAh/g，即使在20C下循环12周，容量还能维持在94.0 mAh/g，研究结果表明，采用碳包覆Li3V2 (PO4)3，能明显改善Li3V2 (PO4) 3的倍率性能和循环性能。为了提高Li3V2(PO4)3的结构稳定性，人们采用Co，Cr，Fe，Mg，Ti，Mo等对部分V进行掺杂取代，采用Na等对部分Li进行取代。如在文献(2) journal of materialschemistry 2012, 22: 6556 中，A. R. Cho等人用 Al 部分取代V合成了 Li3V198Altl tl2(PO4)3正极材料，在3-4. 8 V的充放电截止电压范围内，Li3Vu8Alatl2(PO4)3的首次放电比容量为182mAh/g, 40次循环后比容量为152 mAh/g,研究结果表明掺杂取代的Li3V2 (PO4) 3正极材料可以在较高的充电截止电压下工作，具有较高的比容量和良好的电化学循环稳定性。上述两种方法虽然能够对提高Li3V2(PO4)3的电化学性能，尤其是倍率性能起到一定的作用，但是尚不能满足人们对该材料的更高性能，尤其是高倍率性能的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种原位氮掺杂碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料及其制备方法，解决了高倍率性能的需求问题。氮掺杂的碳层能够均匀的包覆在Li3V2(PO4)3颗粒表面；氮掺杂碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料具有优异的倍率性能，并且可以在很高的电流密度下(50C)稳定的工作，具有较高的比容量和电化学循环稳定性。此外，本专利技术方法工艺简单，操作方便，成本低廉，适宜规模化生产。本专利技术的氮掺杂碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料中，包覆层中氮的含量为Li3V2(PO4)3质量的0. 03% 5%，碳的含量为Li3V2 (PO4) 3质量的0. 5% 10%。该氮掺杂碳包覆Li3V2 (PO4)3正极材料的制备方法是葡萄糖，柠檬酸，PVDF蔗糖中的一种作为碳源，CnH2n+2N20[n=l 10]中的一种作为氮源,依次溶于50 250ml去离子水中，随后依次加入含Li的盐，含V的盐和含磷酸根的盐。采用溶胶凝胶法得到绿色凝胶，然后通过高温焙烧获得氮掺杂碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料。具体工艺步骤如下A、按照有机碳源和有机氮源的摩尔比为0. 05 5的比例，将有机碳源和有机氮源依次加入到150 250ml的去离子水中，机械搅拌得到透明溶液；随后将化学计量比的含Li的盐，含V的盐和含磷酸根的盐在50°C 95 °C温度范围内依次加入到上述透明溶液中，形成蓝色溶液，该溶液经过3 12小时的溶胶凝胶过程形成绿色凝胶；随后将该种绿色凝胶在60 0C 150 °C范围内真空干燥6 24小时，得到干燥的凝胶；B、将步骤A所得干燥的凝胶研磨，以2 10 °C/min速率升温至200 450 0C并恒温4 20小时，然后自然冷却至室温，将得到的产品再次研磨，然后再将该产品在700 1000 °C范围内，N2气氛下恒温5 24小时，得到氮掺杂碳包覆Li3V2 (PO4) 3正极材料。步骤A中所述有机碳源为葡萄糖，柠檬酸，草酸，蔗糖，PVDF中的一种，有机氮源为尿素或者CnH2n+2N20[n=l 10]中的一种。步骤A中所述含Li的盐为硫酸锂Li2SO4，硝酸锂LiNO3，磷酸锂Li3PO4，碳酸锂Li2CO3,醋酸锂CH3COOLi或氢氧化锂LiOH中的一种；所述含V的盐为V2O5, NH4VO3中的一种，所述含磷酸根的盐为磷酸锂Li3PO4,磷酸H3PO4,三水合磷酸铵(NH4)3PO4 . 3H20,磷酸氢铵(NH4)2HPO4或磷酸二氢铵NH4H2PO4中的一种。氮掺杂碳包覆Li3V2 (PO4) 3正极材料的XRD谱图如图I所示，包覆后Li3V2 (PO4) 3正极材料仍然呈现单斜相，XRD谱图出峰位置与Li3V2 (PO4) 3标准卡片一致，并没有出现其他杂质相，说明氮掺杂碳包覆后没有破坏Li3V2 (PO4)3的晶体结构。采用德国Supra 55型场发射扫描电镜表征电极材料的形貌，氮掺杂碳包覆Li3V2 (PO4) 3正极材料场发射扫描电镜结果分另IJ如图2所示，从图中可以看出，本专利技术中氮掺杂碳包覆Li3V2 (PO4) 3正极材料的粒径大约为2 5 u m0将采用本专利技术方法合成的氮掺杂碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料分别与市售乙炔黑导电剂和聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂按80:10:10的质量比例混合，涂在集流体铝箔上，80 0C烘干并压片至25 100 y m的厚度,用冲片机制得直径为I cm的电极片，于60 150 0C真空(〈10 Pa)干燥12 18小时。以金属锂片作为负极，采用Celgard 2400隔膜，I mo I/L的 LiPF6 + EC+DMC+DEC (EC/DMC/DEC 体积比 I: I: I)为电解液，在德国 M. Braun 公司 Unlab型干燥氩气手套箱(H2CKl ppm, 02<1 ppm)中组装成实验电池。采用武汉蓝电CT2001A型电池测试仪进行电化学性能测试，充放电电压范围分别为3 4. 3，3 4. 8 V (vs. Li+/Li)，测试结果见图3，图4，图5，图6和图7所示。可以看出，经过氮掺杂碳包覆以后的Li3V2 (PO4) 3,具有优异的倍率性能和良好的大电流放电循环稳定性本专利技术的特点及优势在于采用氮掺杂碳本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料，其特征在于氮掺杂的碳层能够均匀的包覆在Li3V2 (PO4) 3颗粒表面，包覆层中氮的含量为Li3V2 (PO4) 3质量的0. 03% 5%，碳的含量为 Li3V2 (PO4) 3 质量的 0. 5% 10%。2.一种制备如权利要求I所述的氮掺杂碳包覆Li3V2 (PO4) 3正极材料的方法，其特征在于 A、按照有机碳源和有机氮源的摩尔比为0.05 5的比例，将有机碳源和有机氮源依次加入到150 250ml的去离子水中，机械搅拌得到透明溶液；随后将化学计量比的含Li的盐，含V的盐和含磷酸根的盐在50°C 95 0C温度范围内依次加入到上述透明溶液中，形成蓝色溶液，该溶液经过3 12小时的溶胶凝胶过程形成绿色凝胶；随后将该种绿色凝胶在60 0C 150 0C范围内真空干燥6 24小时，得到干燥的凝胶； B、将步骤A所得干燥的凝胶研磨，以2 ...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘海梅，王聪，杨文胜，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：
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