[发明专利]δ-VOPO

说明书

本发明涉及δ‑VOPO₄超薄纳米片材料及其可控制备方法，该材料可作为锂离子电池正极活性材料，其为正交结构，物相与卡片号为00‑047‑0951的δ‑VOPO₄标准样品完全吻合，空间群为P4₂/mbc，无杂相峰，具有结晶性。本发明的有益效果是：通过简单易行的溶胶凝胶法结合固相烧结法制备了δ‑VOPO₄纳米片正极材料，其作为锂离子电池正极活性材料时，表现出功率高、循环稳定性好的特点；其次，本发明工艺简单，通过简单易行的溶胶凝胶法即可得到前驱体溶液，对溶液进行干燥和空气气氛下固相烧结即可得到δ‑VOPO₄纳米片正极材料。该方法可行性强，易于放大化，符合绿色化学的特点，利于市场化推广。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及δ-VOPO₄超薄纳米片材料及其可控制备方法，该材料可作为锂离子电池正极活性材料。

背景技术

近代以来，社会生产力随着工业化进程的推动而不断提高，而每一次科技进步都伴随着能源利用方面的革命。如何实现清洁能源的开发利用已经成为全世界的研究热点，而清洁能源的存储是影响清洁能源发展最为关键的要素。经过20多年的发展，锂离子电池市场规模从无到有，预计在2022年前后将超越铅酸电池而成为市场用量最大的二次电池产品。但纯电动汽车和混合动力汽车的快速发展给新型的锂离子电池正极材料提出了更高的要求。

在诸多正极材料中，VOPO₄因其放电电位高(接近4V vs.Li/Li⁺)、放电容量高(166mAh/g)等优点而被认为是最具潜力应用的锂离子电池正极材料之一。作为一种同质多晶化合物，VOPO₄由于VO₆八面体和PO₄四面体单元的排列方式不同而存在具有开放三维隧道结构的β、ε相和具有二维层状结构的α_Ⅰ、α_Ⅱ、ω、δ和γ相。与其他结构相比，δ-VOPO₄在低电流密度下具有最高的放电容量，且放电平台为3.8V。B.M.Azmi等研究者还发现δ-VOPO₄在低倍率下拥有良好的循环性能，具有潜在的应用前景。但是目前的研究结果表明，δ-VOPO₄电极材料的倍率性能较差，且在高电流密度下循环性能显著下降，这都影响了它的实际应用价值。

研究结果表明通过优化合成方法和条件对材料的结构和形貌进行调控将显著提高 VOPO₄正极材料的电化学性能。纳米片结构可以有效缩短锂离子的扩散路径，缓解锂离子脱嵌过程中所产生的应力，同时纳米片表面对锂离子的吸附可提高其赝电容行为，最终可显著提高材料的电化学活性。2016年，Guihua Yu课题组在异丙醇溶液中对VOPO₄·H₂O块体进行超声剥离制备了VOPO₄·H₂O纳米片，该材料在作为锂离子正极材料时表现优异。在5C电流密度下材料的放电容量为100mAh/g，并且循环500次后容量几乎无衰减，远优于块体材料。2017年，该课题组通过将有机物TEG和THF引入VOPO₄·H₂O层间的方式实现了 VOPO₄·H₂O块体结构的成功剥离，有机分子的成功嵌入使VOPO₄·H₂O的层间距得到提高，同时有机分子与VOPO₄·H₂O主体结构之间的化学键保持了主体结构在锂离子嵌入脱出过程中的结构稳定性，最终有效提高了材料的倍率性能和循环稳定性。

然而，目前制备VOPO₄纳米片普遍采用在异丙醇溶液中超声或者有机物嵌入剥离的方式获得，其制备效率低、成本高，影响了材料在实际生产中的应用，并且对于δ-VOPO₄纳米片的研究还未见报道。

发明内容