[发明专利]超长单晶V2O5纳米线/石墨烯正极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料及其制备技术领域，特别是提供了一种超长单晶V₂O₅纳米线/石墨烯复合正极材料的制备方法，并且这种超长单晶V₂O₅纳米线/石墨烯复合正极材料表现出良好的电化学性能。

背景技术

锂离子电池是20世纪70年代后发展起来的一种新型电池，由Sony公司于1990年率先投入商业化。由于锂离子电池有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应和对环境友好等优点，在实际应用中显示出无法取代的巨大优势，广泛应用于移动电话、笔记本电脑、电动汽车、武器装备等。

近年来，锂离子电池的产量快速增长，应用领域不断扩大，已成为影响国际民生的重要高新技术产品。然而，正极材料研究较为滞后，成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的关键。目前，研究、应用最多的正极材料包括“LiCoO₂，LiNiO₂，LiMn₂O₄，LiFePO₄”等，而V₂O₅以其可嵌入结构、高容量、低成本、资源丰富等优点，成为最具有发展前途的可充锂电池正极材料。

V₂O₅，具有二维层状结构，属三斜方晶系，在这种结构中，V处于由5个O原子所包围的一个畸变了的四方棱锥体中的中间，V原子与5个O原子形成5个V-O键，因此V₂O₅，结构可以看作VO₄四面体单元通过桥氧结合为链状，链与链之间通过双键氧与下一条链上的V作用构成锯齿的层状排列结构，从结构上看，分子或原子嵌入V₂O₅，拉大了层间距离，从而削弱了V₂O₅层对Li⁺的静电作用，同时Li⁺与嵌入物之间具有较好的相容性，使其能较好的脱嵌。V₂O₅电化学嵌/脱锂离子的电位窗口为4.0～1.5V(vs.Li/Li⁺)，每个V₂O₅最多能够嵌入3个Li⁺，且其理论放电容量可达442mAh g^-1，因此我们预计正极材料V₂O₅可满足下一代锂离子电池能量密度高和比容量大的需求。

自从Whittingham在1975年首次报道锂离子能可逆地嵌入到V₂O₅中，人们已对V₂O₅的电化学性质进行了大量的研究，发现它电子导电率低(10^-2-10^-3S/cm)和锂离子扩散系数小(10^-12-10^-13cm²/s)等问题，这些限制了V₂O₅在实际应用中的嵌入容量和倍率性能。为克服V₂O₅存在的问题，人们研究采取了多种改性措施和方法，这主要包括制备纳米结构的V₂O₅和掺杂活性碳。

纳米尺度的V₂O₅可以提高锂离子的扩散系数，因为纳米材料具有较大的表面积和短的扩散路径，可以提供更多的电化学活性位点和减弱电极材料的浓度极化。目前，人们已合成了大量的纳米结构V₂O₅，如纳米带、纳米线、纳米棒、纳米卷、空心微球等。我们课题组也合成出几十毫米长的V₂O₅纳米线，并且在电流密度50mA/g下进行充放电性能测试，其首次放电容量高达351mAh g^-1，然而充放电循环20周后放电容量衰减到175mAh g^-1。由此可知，纳米尺度的V₂O₅只能在一定程度上提高它的电化学活性。