[发明专利]一种镁掺杂五氧化二钒/碳复合正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池材料技术领域，尤其涉及一种镁掺杂五氧化二钒/碳复合正极材料及其制备方法。

背景技术

铅酸电池、Ni-Cd电池以及锂二次电池等基于氧化还原反应的化学电源被广泛应用于便携式电子设备(笔记本电脑、手机等)、电动汽车、电动工具等方面。与铅酸电池以及Ni-Cd电池相比，锂离子电池由于具有能量密度大、工作电压高和环境友好等优点而备受青睐。

目前锂离子电池中广泛使用的正极材料，如：LiCoO₂,LiMn₂O₄和LiFePO₄等，其理论比容量不超过200mAh/g。因此，发展一种高理论比容量的正极材料是提高锂离子电池能量密度的关键。迄今为止，人们开发了许多高能量密度的正极材料，包括有机化合物和无机化合物。其中，层状结构的五氧化二钒(α-V₂O₅)的理论比容量颇高，受到了广泛的关注。但如果锂离子电池在首次放电时电压降至1.5V，则α-V₂O₅形成不可逆的ω-Li₃V₂O₅相，这种岩盐型ω-Li₃V₂O₅在随后的充电过程中，无法经由γ-Li₂V₂O₅,δ-LiV₂O₅和ε-Li_0.5V₂O₅相还原为α-V₂O₅，而是发生如(1)式所示的可逆电化学反应，具体的电化学反应如下：

随着较多的Li⁺离子(x>2)嵌入V₂O₅晶体中，由于同性电荷相互排斥和晶体层间空间减少的原因，更多的锂离子嵌入晶体时阻力增加，锂离子扩散系数降低了一个数量级，接近10^-13cm²/s。随着更多锂离子的嵌入，可能引起V₂O₅的晶体结构坍塌，转化为无定型V₂O₅，导致循环性能恶化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镁掺杂五氧化二钒/碳复合正极材料及其制备方法，该正极材料具有优异的循环性能。

本发明所提供的技术方案如下：

本发明提供了一种镁掺杂五氧化二钒/碳复合正极材料，该材料为具有大孔结构和介孔结构的多孔微球，所述多孔微球由碳微球堆积而成，所述碳微球具有介孔结构，所述碳微球包括碳基体和镶嵌于所述碳基体内部的镁掺杂五氧化二钒纳米颗粒，所述镁掺杂五氧化二钒具有式I所示化学组成：

Mg_xV₂O₅式I；

式I中，0.05≤x≤0.2。

优选的，所述x的范围为0.10≤x≤0.15。

优选的，所述大孔的孔径为50～150nm，所述大孔的孔容占所述正极材料的总孔容的10～30％；所述介孔的孔径为3～50nm，所述介孔的孔容占所述正极材料的总孔容的70～90％。

优选的，所述镁掺杂五氧化二钒纳米颗粒的粒径为5～30nm；所述碳微球的粒径为150～250nm；所述正极材料的粒径为9～11μm。

优选的，所述正极材料中镁掺杂五氧化二钒的含量为85～95wt.％，碳的含量为5～15wt.％。

本发明还提供了上述技术方案所述的正极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将表面活性剂、甲基丙烯酸单体和交联剂分散于水中，得到水分散液；将所述水分散液与氧化剂混合，在氮气保护下进行聚合反应，得到交联的PMAA微球模板；

(2)将偏钒酸铵、草酸在水中进行氧化还原反应，得到钒氧化合物中间体溶液；

(3)将所述步骤(1)得到的交联的PMAA微球模板、所述步骤(2)得到的钒氧化合物中间体溶液和镁盐混合，进行凝胶化反应，得到Mg_xV₂O₅/PMAA前驱体；