[發明專利]鉻釩氧化物納米顆粒及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410320325.8
• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN104091940A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 麥立強;盛進之;安琴友;魏湫龍
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M10/0525
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發明屬于納米材料與電化學技術領域，具體涉及一種介穩無定形態的鉻釩氧化物納米顆粒及其制備方法，該材料可作為高容量高倍率鋰離子電池正極活性材料。

背景技術

在當今社會，電能的儲存方式的先進與否，很大程度上決定著我們生活質量的好壞。隨著移動電力設備，如手機、筆記本電腦和電動汽車的不斷革新，人們對于高性能儲能裝置的需求也越來越多。為了解決這些問題，鋰離子電池由于具備高能量密度、長循環壽命等優勢而被廣泛應用。對于鋰離子電池，其能量密度主要取決于其正極材料，然而目前商業化的鋰電正極材料的容量均低于200mAh/g。因此，發展更高容量的正極材料是被迫切需要的。

近年來，釩氧化物因為其低成本、高理論容量等優點而被研究者們廣泛關注。然而，低電導率和其嵌鋰時晶體結構的不穩定限制了釩氧化物的長遠發展。鉻元素作為一種與釩相近的元素，會相對容易取代釩在晶格中的位置，從而對釩氧化物材料性能有所改善。同時，具備無序結構的材料也是一種很有潛力正極材料候補者，它能提供比晶體材料更大的內部空間提供與鋰離子的擴散，同時還能避免結構坍塌對電池性能的影響。然而，過大的內部空間會使鋰離子的活動空間過大而無法穩定地保存。因此，介于無定形態和晶態之間的介穩無定形態的鉻釩氧化物納米顆粒可以在保持穩定長效狀態下，提高材料的脫嵌鋰能力，使其成為鋰離子電池的潛在應用材料。

制備介穩無定形鉻釩氧化物納米顆粒僅僅采用了簡單的共沉淀和煅燒的方法，通過改變煅燒溫度和時間即可控制材料的結晶度，且制得的材料均一高、分散性好。該方法符合綠色化學的要求，利于市場化推廣。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術而提供一種介穩無定形態的鉻釩氧化物納米顆粒及其制備方法，其工藝簡單、符合綠色化學的要求，這種鉻釩氧化物納米顆粒具有優良的電化學性能。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：鉻釩氧化物納米顆粒的制備方法，包括如下步驟：

1)將Cr(NO₃)₃·9H₂O加入到去離子水中，攪拌10～30min使其溶解；

2)將NH₄VO₃加入到去離子水中，水浴條件下攪拌10～30min使其溶解；

3)將步驟1)和步驟2)所得的溶液混合，攪拌10～30min；

4)將步驟3)所得產物離心過濾，并用去離子水和無水乙醇分別洗滌2～5次，在60～80℃烘箱中烘干，即得到棕色鉻釩氧化物納米顆粒前驅體；

5)將步驟4)所得產物置于馬弗爐中煅燒，即得到紅棕色介穩無定形鉻釩氧化物納米顆粒。

按上述方案，所述的Cr(NO₃)₃·9H₂O的加入量為1mmol，NH₄VO₃銨的加入量為2～3mmol。

按上述方案，所述的用于溶解Cr(NO₃)₃·9H₂O的去離子水為10～50mL，用于溶解NH₄VO₃的去離子水為30～50mL，水浴攪拌溫度為80～90℃。

按上述方案，步驟3)所述的攪拌溫度在20～90℃。

按上述方案，所述的煅燒溫度為450～500℃；升溫速率為2～5℃/min；煅燒時間為2～3小時。

本發明所述的鉻釩氧化物納米顆粒的直徑為50～150納米，其結晶度處于完全無定形態和晶態之間。

鉻釩氧化物納米顆粒作為鋰離子電池正極活性材料的應用。

本發明擴大了材料的內部空間，使鋰離子的擴散更加容易，進而有效提高了材料的電化學性能。該材料作為鋰電池正極活性材料時，在100mA/g和1000mA/g高電流密度下進行的恒流充放電測試結果表明，其首次放電比容量分別可達260mAh/g和202mAh/g，200次和500次循環后為209mAh/g和144mAh/g，容量保持率達80.4％和71.3％。該結果表明該介穩無定形鉻釩氧化物納米顆粒具有高容量與高倍率特性，是高能量密度、高功率電池的潛在應用材料。

制備介穩無定形鉻釩氧化物納米顆粒僅僅采用了簡單的共沉淀和煅燒的方法，通過改變煅燒溫度和時間即可控制材料的結晶度，且制得的材料均一高、分散性好，為探索大規模合成介穩無定形納米材料做出了努力。