[發明專利]嵌入石墨烯網絡的介孔Li3VO4/C納米橢球復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510246824.1
• 申請日: 2015-05-15
• 公開（公告）號: CN104934577B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 麥立強;李啟東;魏湫龍;譚雙雙
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/587
• 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，具體涉及一種嵌入石墨烯網絡的介孔Li₃VO₄/C納米橢球復合材料及其制備方法，該材料可作為高功率長壽命鋰離子電池負極活性材料。

背景技術

鋰離子電池作為一種綠色化學存儲器件，已廣泛應用于手機、數碼相機、筆記本電腦等便攜式設備，并逐步成為動力汽車、混合動力汽車以及大規模儲能系統的最佳候選者。為了驅動這些大型的能源設備，具有高能量密度和高功率密度的鋰離子電池亟待被開發。而現存的商業化鋰離子電池負極材料—石墨面臨著幾個重大的阻礙:一、低的離子電導率導致其功率密度不高；二、首次充放電時，SEI膜的形成導致電解液分解，降低了其能量效率；三、充放電過程中，鋰金屬易沉積在石墨表面形成鋰枝晶，導致嚴重的安全問題。因此，開發具有高能量高功率密度的鋰離子電池負極材料仍是一個關鍵性的難題。

已被研究的鋰離子負極材料主要分為三大類，第一類是合金化反應材料，如單晶硅、單質錫、二氧化錫等，第二類是轉化反應材料，如三氧化二鐵、四氧化三鈷、二氧化錳等金屬氧化物，這兩類材料可以提供很高的比容量，但是它們在進行電極反應時會引起很大的體積膨脹，導致材料結構迅速崩塌破壞，表現出很差的循環穩定性；并且它們還表現出很低的初始庫倫效率，不利于實際應用。而第三類嵌入式反應材料，由于其具有高度的反應可逆性以及快速的離子傳導速率，表現出優異的循環穩定性和倍率性能，已被作為理想的鋰離子電池負極材料。而常見的嵌入式負極材料鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)和鈮酸鈦(TiNb₂O₇)都具有較高的反應平臺，與正極材料組裝成全電池時，較小的正負電壓差會大大限制其能量密度。釩酸鋰(Li₃VO₄)作為一種高離子傳導率的嵌入式負極材料具有較高的比容量以及很低的電壓平臺，十分具有潛力應用于實際，但其面對的關鍵問題是較低的電子傳導率會引起較大的過電勢以及降低倍率性能，不利于其進一步的實際應用。近年來，Li₃VO₄作為鋰離子電池負極材料已被逐步研究，而高容量、高倍率、長壽命的Li₃VO₄負極材料仍未被合成報道。

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出一種嵌入石墨烯網絡的介孔Li₃VO₄/C納米橢球復合材料及其制備方法，其工藝簡單，所得的嵌入石墨烯網絡的介孔Li₃VO₄/C納米橢球復合材料具有十分優良的電化學性能。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：嵌入石墨烯網絡的介孔Li₃VO₄/C納米橢球復合材料，其為石墨烯包覆的Li₃VO₄/C納米橢球，其長為250～400nm、寬為150～250nm，Li₃VO₄/C納米橢球上分布有介孔，其孔徑大小為10～50nm；其為由下述方法制備得到的產物，包括有以下步驟：

1)量取石墨烯溶液干燥之后分散于乙二醇液體中，超聲處理，形成均一的混合溶液；

2)將步驟1)所得溶液進行磁力攪拌并緩慢加入LiOH·H₂O粉末和NH₄VO₃粉末，超聲處理；

3)將步驟2)所得溶液進行油浴加熱并伴隨著磁力攪拌，加熱完成后自然冷卻；

4)將步驟3)所得產物離心過濾，得到沉淀，用無水乙醇反復洗滌，放入烘箱中烘干；

5)將步驟4)所得粉末置于氬氣氣氛下煅燒，煅燒完成后自然冷卻，得到嵌入石墨烯網絡的介孔Li₃VO₄/C納米橢球復合材料。

按上述方案，步驟1)所述的石墨烯溶液的濃度為1mg/mL，用量為5～15ml，超聲處理時間為1～3小時。

按上述方案，步驟2)所述的LiOH·H₂O粉末摩爾量為50～90mmol，NH₄VO₃粉末的摩爾量為1～6mmol，超聲處理時間為0.5～1小時。

按上述方案，步驟3)所述的油浴溫度為100～120℃，攪拌時間為0.5～1小時。