[发明专利]一种锂离子电池钒酸锌负极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一类新型锂离子电池负极材料，特别涉及一种钒酸盐Zn₃(VO₄)₂的制备技术及其储锂特性，属于电化学电源领域。

背景技术

锂离子电池是继镍镉电池、镍氢电池之后的第三代小型蓄电池，具有工作电压高、比能量大、放电电位曲线平稳、自放电小、循环寿命长、低温性能好、无记忆、无污染等优点，能够满足便携式电子产品小型化、轻量化、无污染的要求。目前锂离子电池已广泛应用于移动通讯、笔记本电脑等电子产品中，但作为如电动交通工具、人造卫星、野战通讯等移动设备的电源，还需要进一步提高电池的比能量及功率。研发高比能量、高功率锂离子电池的关键在于设计并制备出高容量、高倍率性能的电极材料。目前，正极材料一般是含锂过渡族金属氧化物（LiCoO₂, LiFePO₄，LiN_1-y-zMn_yCo_zO_z等），在现有正极材料结构基础上大幅度提高正极材料比容量的可能性不大，进一步提高锂离子电池容量只能依赖负极材料容量的大幅提高。传统的石墨负极材料理论容量较低，研发新型锂离子电池负极材料成为了影响锂离子电池发展的一个关键因素。钒酸锌Zn₃(VO₄)₂具有特殊的通道结构，可以作为锂离子嵌入/脱嵌载体。我们前期研究表明，Zn₃(VO₄)₂颗粒作为锂离子电池负极材料显示了1640 mAhg^-1的首次放电容量，远高于石墨碳材料；另外，其主要放电平台集中在0.12V附近，作为锂离子电池负极材料能够提供更大的电压区间。Zn₃(VO₄)₂有望成为一种新型的高功率、高比容量锂离子电池负极材料。目前，关于Zn₃(VO₄)₂的制备研究开展得较少，已有的少量液相和固相合成方法制备的Zn₃(VO₄)₂结晶性能不好，对其性能有明显的影响，关于其电化学性能的研究未见报道。因此，发明一种具有良好结晶性能的钒酸锌Zn₃(VO₄)₂的制备方法并研究其作为锂离子电池负极材料的电化学性能具有重要的意义。基于以上背景，本申请以焦钒酸锌作为前躯体，通过高温烧结方法制备得到尺寸均匀的钒酸锌Zn₃(VO₄)₂并对其作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行评估。

发明内容

本发明的目的就是以焦钒酸锌为前躯体制备出结晶性能良好的新型锂离子电池负极材料钒酸锌Zn₃(VO₄)₂。其原理就是利用高温加热为反应原料提供反应能量，使反应原料逐渐发生烧结，通过调节温度控制烧结速度，最终得到结晶性能良好的钒酸锌Zn₃(VO₄)₂。

本发明所涉及的钒酸锌Zn₃(VO₄)₂合成原料为焦钒酸锌Zn₃(OH)₂ V₂O₇·nH₂O，在煅烧过程中发生的反应为：

Zn₃(OH)₂ V₂O₇·nH₂O → Zn₃(VO₄)₂ + (n+1) H₂O                         (1)