[发明专利]一种锂电池用嵌钾五氧化二钒纳米带正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高能锂离子电池正极材料及其制备技术领域，具体涉及一种嵌钾五氧化二钒纳米带材料及其合成工艺。

背景技术

近年来，锂离子电池作为应用最广泛的电化学储能设备之一，倍受人们的关注。在实际应用中，低的比容量和差的循环稳定性一直是限制锂离子电池大规模发展的关键因素。因此，开发具有高能量密度和长循环寿命的锂离子电池材料具有十分重要的意义。钒系电极材料由于具有成本相对低廉，容量高等特点而成为人们研究的热点，例如V₂O₅。虽然V₂O₅具有层状结构且具有较高的放电比容量，但是由于其本身结构的性质，在宽范围内锂离子脱嵌过程中其层状结构容易被破坏，造成容量衰减较快。

在钒氧层中添加碱性阳离子是提高结构稳定性的一种有效方法。最近的一些研究表明，对V₂O₅进行预嵌锂、钠等处理可以从结构上修饰V₂O₅，从而能够有效的改善其电化学性能[Journal of Materials Chemistry,2010(20):8368；Electrochimica Acta,2014(130):119]。然而，尽管目前有很多针对五氧化二钒改性的研究，但是有很少的工作取得很好的循环性能，尤其是长循环性能。因此，开发新的电极材料或改善现存的电极材料以获得更好的循环性能十分必要。

由于钾离子半径明显要大于锂离子和钠离子的半径，钒氧层中嵌入钾离子后层间距会大大的增大，十分有利于锂离子的扩散。且钾离子能够连接相邻的钒氧层形成稳定的化学键，产生支柱效应，能够更有效的起到支撑作用，抑制锂离子脱嵌过程中钒氧层的坍塌[Journal of Materials Chemistry A,2013(1):5423；Nano letters,2015(15):2180]。对电极材料进行纳米化可以有效的提高材料的比表面积，缩短锂离子的扩散路径。本发明提供了一种简易的方法合成K_xV₂O₅(0<x<0.5)纳米带材料，对促进锂离子电池的商业化具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是从结构上对五氧化二钒进行修饰，改善五氧化二钒在宽电压范围内锂离子脱嵌过程中其层状结构容易被破坏弊端，提供一种结构稳定、比容量高、具有优越循环稳定性和高倍率性能的嵌钾五氧化二钒K_xV₂O₅(0<x≤0.5)纳米带正极材料及其制备方法。其合成方法简单，可用于大规模工业化生产。

一种锂电池用嵌钾五氧化二钒纳米带正极材料，分子式为K_xV₂O₅，0<x≤0.5。

一种制备所述的锂电池用嵌钾五氧化二钒纳米带正极材料的方法，包括如下步骤：将钒源和有机酸钾化合物加入蒸馏水中，加热搅拌直到溶液变成浅黄色，再加入甘氨酸；继续加热搅拌，然后在烘箱中干燥得到灰褐色前驱体，经烧结后得到嵌钾五氧化二钒纳米带正极材料。

所述的钒源包括NH₄VO₃，V₂O₅和C₂H₄O₃V中的一种或几种的混合。

所述的有机酸钾包括草酸钾，乙酸钾，甲酸钾，硫代乙酸钾和硬脂酸钾中的一种或几种的混合。

所述的甘氨酸与钒源的摩尔量比为1：2-1：4。加入甘氨酸；继续加热搅拌2-6小时。

所述的搅拌时的加热温度为60-80℃。

在烘箱中50-70℃干燥8-14小时，得到灰褐色前驱体。

所述的前驱体烧结条件为：烧结温度为400-550℃；时间为1-6小时；升温速率为1-10℃/min。

所述的烧结气氛为空气、氧气或氩气。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：