[发明专利]过渡金属钒酸盐一维纳米电极材料的制备方法及其应用

说明书

【技术领域】：本发明属于锂电池生产技术领域，特别涉及一种锂电池阴极材料，电极材料的制备方法及其应用。

【背景技术】：锂电池由于具有电压高，比能量高、工作温度范围宽、比功率大、放电平稳等优点，被广泛应用于手表、计算机存储器后备电源、掌上电脑、通信设备、卫星、导弹、鱼雷、心脏起搏器、安全报警等设备中。目前商品化锂一次电池阴极材料主要为MnO₂，但由于MnO₂的理论容量只有308mAh/g，实际容量则更低，限制了锂电池的性能的进一步提高，因此急需寻找新型高性能锂电池阴极材料，来满足对能量储存的日益增长的需求。

锂电池主要由阴极，阳极和电解液等部分组成，其中阴极是决定电池容量的最主要因素，因此开发阴极关键材料成为提高锂电池的关键。过渡金属钒酸盐，具备脱锂/嵌锂的晶体结构，还具有价格低，能量密度高，理论比容量高等优点，例如CuV₂O₆理论比容量为615mAh/g，是MnO₂理论容量的两倍，因而是一种非常理想的锂一次电池阴极材料。其中钒酸银作为锂一次电池阴极材料已经商业化，应用于心脏起搏器中。但是银也是一种比较昂贵的金属，不利于大范围推广使用，因此人们对廉价过渡金属钒酸盐材料作为锂电池阴极材料开始进行研究。目前的研究报道主要包括MeV₂O₆(Me＝Cu，Ni，Co，Zn，Mn))[E.Andrukaitis，Judy P.Cooper，John H.Smit，Lithium Intercalation in The DivalentMetal Vanadates MeV₂O₆，Journal of Power Sources 54(1995)465-469]等。最近，M.Morcrette等人研究了Cu_2.33V₄O₁₁[M.Morcrette，P.Rozier，L.Dupont，et al，AReversible Copper Extrusion-Insertion Electrode for Rechargeable Li batteries，Nature Materials，2003，2,755—761]作为锂离子电池阴极材料的性能，发现这种钒酸铜可以嵌入大约5.5个锂离子，而其放电压在2.7V，并且具有良好的可逆性。尽管过渡金属钒酸盐的电化学研究取得了较大的进展，但是目前报道的过渡金属钒酸盐材料大部分都是几十到几百微米级材料，而对于纳米级钒酸盐的电化学性能研究很少。

目前，大部分过渡金属钒酸盐电极材料主要的合成方法为高温固相法(300～620℃)，溶胶凝胶法经高温后处理等，反应过程消耗能很高，而且周期较长，产物通常为块体材料，粒径为几十到几百微米，而且其粒径大小分布不均匀，团聚现象严重。近年来，人们发现纳米材料具有很多特殊的声，光，电等性能，纳米科学得到了快速发展，一维纳米材料更是由于其独特的微观结构，在很多领域表现了优良的性能。与传统的块状电极材料相比，一维纳米电极材料的粒径更小、长径比大，比表面积大，可增大活性物质与电极间的接触，减小电池内阻并提高质子的扩散性能，从而可有效的提高其电化学性能，具有潜在的应用前景。P.Poizot等人发现过渡金属氧化物纳米材料的电化学性能同普通块体材料的电化学性能有很大的不同，纳米材料大大提高了其电化学性能[P.Poizot，S.Laruelle，S.Grugeon，L.Dupont & J-M.Tarascon，Nano-Sized Transition-MetalOxides as Negative-Electrode Materials For Lithium-Ion Batteries，Nature，2000，407,496-499]。到目前为止，关于钒酸盐一维纳米材料电化学性能的研究在国内外研究报道较少[S.Zhang，W.Li，C.Li & J.Chen，Synthesis，Characterization，andElectrochemical Properties of Ag2V4011 and AgV03 1-D Nano/Microstructures，J.Phys.Chem.B 2006，110，24855-24863]。因此：探索低成本的过渡金属钒酸盐一维纳米材料的简单制备方法，并对研究其电化学性能，对于提高锂—钒酸盐一次电池的综合性能具有十分重要的意义。