[发明专利]一种分级多孔钒氧化物微球及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于无机材料与电化学器件技术领域，具体涉及一种分级多孔钒氧化物微球及其制备方法，该材料可作为在锂离子或者其他电化学器件的材料。

背景技术

随着石油等不可逆能源的加剧消耗，便携式能源体系面临日益严峻的挑战。锂离子电池因为其较高的能量密度、优良的循环性能及较强的荷电保持能力，被认为有望取代石油，广泛应用于便捷式电子器件中。但是，目前商品化和即将进入开发性研究的正极材料大多是嵌锂过渡金属氧化物，这些正极材料存在致命的本征制约——较低的比容量，难以实现快速充放电。因此需要开发新型正极材料来满足高能量密度、大功率的要求。其中，钒氧化物因为具有较高的容量，储量丰富，价格相对低廉，这使得钒氧化物作为电池正极材料具有较好的应用前景，有可能满足便捷式电子器件对高品质电池的要求及混合动力汽车(HV)和电动汽车(EV)对高能量密度和大功率电池的要求，成为目前重点研究的新一代正极材料之一。

目前，各项研究主要通过调控钒氧化物的表面性质、内部构造、尺寸和形貌来提高其储锂性能。钒氧化物，包括V₂O₅，VO₂，V₂O₃的纳米线、纳米棒、纳米管和纳米颗粒等结构已经出现相关的报道或者专利。四川大学的黄婉霞教授等人利用CTAB做模板，采用水热的方法合成出了二氧化钒纳米片，并将其制作成电极测试了储锂性能[Na Li,Wanxia Wang,Qiwu Shi,Yubo Zhang,Linwei Song,Ceramics International,2013,39,6199-6206]。上述报道大多采用水热法，反应所需温度高、时间长、产量低，并且制备得到的钒氧化物属于纳米尺寸，在高度脱嵌锂过程中，存在严重的体积效应，发生颗粒团聚，造成电极的循环稳定性下降，在实际生产中不利于大规模应用。

因此，进一步调控钒氧化物的尺寸、形貌和内部结构，并改进其制备工艺和条件，具有十分重要的应用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分级多孔钒氧化物微球及其制备方法和应用，该方法所需原料较之前报道的更加常见，制备方法简单，且分级多孔钒氧化物微球应用于制备锂离子电池电极表现出优异的电化学性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种分级多孔钒氧化物微球，微球尺寸4～10μm，所述微球结构是由多个多孔纳米粒子相互交错堆积而成。

根据上述技术方案，所述钒氧化物为无定型结构，所述纳米粒子为长度是200-300nm的三棱柱形状；或者所述钒氧化物为二氧化钒，所述纳米粒子为长度是300～500nm的多孔三棱柱形状；或者所述钒氧化物为三氧化二钒，所述纳米粒子为颗粒状。

一种分级多孔钒氧化物微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取0.2～0.6g偏钒酸铵，加入100～400mL有机溶剂，在水浴锅中40～80℃磁力搅拌，形成均匀透明的亮黄色前驱液；

(2)将步骤(1)得到的前驱液继续置于恒温油浴锅中150～190℃反应1～4h，反应过程中在敞开体系冷凝回流，偏钒酸铵被还原，得蓝紫色沉淀；

(3)将步骤(2)得到的沉淀离心、清洗并烘干；

(4)将步骤(3)中烘干的粉末转移到管式炉中，在氩气气氛中，温度为200～700℃的条件下煅烧3～6h，得分级多孔钒氧化物微球。

根据上述技术方案，所述有机溶剂是采用乙二醇、二乙二醇和聚乙二醇200其中的一种。

根据上述技术方案，所述煅烧过程的优选升温速度为1℃/min，优选煅烧温度为200～700℃，优选煅烧时间为3～6h。

根据上述方案制备的分级多孔钒氧化物微球，应用于锂离子电池正极，表现出良好的电化学性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明涉及的原料安全、廉价、无污染，使用的偏钒酸铵和有机溶剂为常用药品，没有使用有毒有害的有机表面活性剂和添加剂。

(2)本发明工艺简单环保，对反应容器没有特别的限定，反应安全稳定，重复性高，产量非常大，满足实际生产应用的要求。

(3)本发明可以通过调节煅烧的温度来调控钒氧化物的晶型，制备出多种晶型的钒氧化物。