[发明专利]一种新型锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型锂离子电池负极材料，特别涉及一种固相煅烧制备的Na₃VO₄负极材料，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，因其具有能量密度大，输出电压高，自放电小，无记忆效应，工作温度范围宽（-20℃～60℃），循环性能优越，可快速充放电，输出功率大，使用寿命长等优点成为了现代高性能电池的代表。而其中负极材料是锂离子电池的重要组成部分，负极材料性能的好坏直接影响到锂离子电池的性能。目前，对锂离子电池负极材料的研究，主要集中在碳材料、合金材料和以钛酸锂为代表的新型负极材料等方面。这其中，碳材料是最早为人们所研究并应用于锂离子电池商业化的材料，至今仍是大家关注和研究的重点之一。但是石墨的嵌锂电位较低，充放电过程中形成的锂枝晶会造成安全隐患。尖晶石结构的钛酸锂在1.55 V处有平坦的充、放电平台，远高于锂枝晶析出电位，用作锂离子电池负极具有明显提升的安全性能。另外，钛酸锂具有“零应变”特征，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减。然而钛酸锂虽然具有循环寿命长，高稳定性的优点，但它的比容量低，理论容量为175 mAh/g，实际容量一般为160 mAh/g。

前期研究表明新型Li₃VO₄材料作为钒基金属氧化物的典型代表显示了较高的容量及较好的循环稳定性，是一种极具潜力的锂离子电池负极材料。但锂资源储量有限，且成本较高，不利于Li₃VO₄电极材料的商用化。经研究，我们首次发现新型Na₃VO₄负极材料亦具有较高的理论比容量及稳定的循环性能，同时钠元素以盐的形式广泛的分布于陆地和海洋中储量丰富，价格低廉。目前，关于Na₃VO₄作为锂离子电池负极材料的相关研究尚未见报道。基于以上研究背景，本发明涉及一种制备新型Na₃VO₄负极材料的方法，并首次将其用作锂离子电池负极材料。

发明内容

本发明的目的以碳酸钠或氢氧化钠和五氧化二钒或偏钒酸铵为前躯体制备出新型锂离子电池负极材料Na₃VO₄。本发明所涉及的Na₃VO₄合成原料为碳酸钠和五氧化二钒或偏钒酸铵，在固相反应过程中发生的反应为：

3Na₂CO₃+V₂O₅→2Na₃VO₄ +3CO₂↑

或3Na₂CO₃+NH₄VO₃→2Na₃VO₄ +3CO₂↑+2NH₃↑+H₂O

6NaOH+V₂O₅→2Na₃VO₄ +3H₂O

或3NaOH+NH₄VO₃→Na₃VO₄ +NH₃↑+2H₂O

具体步骤如下：

1) 将选自碳酸钠或氢氧化钠中的一种钠源，选自五氧化二钒或偏钒酸铵中的一种钒源，将称取钠源和钒源分别研磨至1200目。

2) 以研磨后的钠源和钒源为原料，按钠和钒的摩尔比为2.5~3:1充分混合。

3) 取步骤2）中混合后的粉末装在料舟中，将料舟置于炉中450℃~600℃下煅烧5~10h。 本发明所涉及的材料制备方法及Na₃VO₄电极材料具有以下几个显著的特点：

（1）    合成方法简单，对设备要求低，易于操作；

（2）    合成所需要的反应物种类少且原料价廉易得所制备样品尺寸均匀，颗粒平均粒径为500 nm左右；