[发明专利]氮掺杂碳包覆Li3V2(PO4)3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技术领域，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。

背景技术

具有NASCION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（2.4×10^-7 S/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：（1）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(1) Electrochemistry Communications13: 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(PO₄)₃/C，该材料在3-4.3V电压窗口内，1C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 materials chemistry 2012, 22: 6556 中，A. R. Cho等人用Al 部分取代V合成了Li₃V_1.98Al_0.02(PO₄)₃正极材料，在3-4.8 V的充放电截止电压范围内，Li₃V_1.98Al_0.02(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。