[發明專利]一種鎂摻雜五氧化二釩/碳復合正極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710075190.7
• 申請日: 2017-02-13
• 公開（公告）號: CN106784738A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 李朝暉;肖放;宋學霞;肖啟振;雷鋼鐵
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/131;H01M4/134;H01M4/1391;H01M4/1393
• 代理公司: 北京高沃律師事務所11569
• 代理人: 王加貴

技術領域

本發明涉及一種電池材料技術領域，尤其涉及一種鎂摻雜五氧化二釩/碳復合正極材料及其制備方法。

背景技術

鉛酸電池、Ni-Cd電池以及鋰二次電池等基于氧化還原反應的化學電源被廣泛應用于便攜式電子設備(筆記本電腦、手機等)、電動汽車、電動工具等方面。與鉛酸電池以及Ni-Cd電池相比，鋰離子電池由于具有能量密度大、工作電壓高和環境友好等優點而備受青睞。

目前鋰離子電池中廣泛使用的正極材料，如：LiCoO₂,LiMn₂O₄和LiFePO₄等，其理論比容量不超過200mAh/g。因此，發展一種高理論比容量的正極材料是提高鋰離子電池能量密度的關鍵。迄今為止，人們開發了許多高能量密度的正極材料，包括有機化合物和無機化合物。其中，層狀結構的五氧化二釩(α-V₂O₅)的理論比容量頗高，受到了廣泛的關注。但如果鋰離子電池在首次放電時電壓降至1.5V，則α-V₂O₅形成不可逆的ω-Li₃V₂O₅相，這種巖鹽型ω-Li₃V₂O₅在隨后的充電過程中，無法經由γ-Li₂V₂O₅,δ-LiV₂O₅和ε-Li_0.5V₂O₅相還原為α-V₂O₅，而是發生如(1)式所示的可逆電化學反應，具體的電化學反應如下：

隨著較多的Li⁺離子(x>2)嵌入V₂O₅晶體中，由于同性電荷相互排斥和晶體層間空間減少的原因，更多的鋰離子嵌入晶體時阻力增加，鋰離子擴散系數降低了一個數量級，接近10^-13cm²/s。隨著更多鋰離子的嵌入，可能引起V₂O₅的晶體結構坍塌，轉化為無定型V₂O₅，導致循環性能惡化。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鎂摻雜五氧化二釩/碳復合正極材料及其制備方法，該正極材料具有優異的循環性能。

本發明所提供的技術方案如下：

本發明提供了一種鎂摻雜五氧化二釩/碳復合正極材料，該材料為具有大孔結構和介孔結構的多孔微球，所述多孔微球由碳微球堆積而成，所述碳微球具有介孔結構，所述碳微球包括碳基體和鑲嵌于所述碳基體內部的鎂摻雜五氧化二釩納米顆粒，所述鎂摻雜五氧化二釩具有式I所示化學組成：

Mg_xV₂O₅式I；

式I中，0.05≤x≤0.2。

優選的，所述x的范圍為0.10≤x≤0.15。

優選的，所述大孔的孔徑為50～150nm，所述大孔的孔容占所述正極材料的總孔容的10～30％；所述介孔的孔徑為3～50nm，所述介孔的孔容占所述正極材料的總孔容的70～90％。

優選的，所述鎂摻雜五氧化二釩納米顆粒的粒徑為5～30nm；所述碳微球的粒徑為150～250nm；所述正極材料的粒徑為9～11μm。

優選的，所述正極材料中鎂摻雜五氧化二釩的含量為85～95wt.％，碳的含量為5～15wt.％。

本發明還提供了上述技術方案所述的正極材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將表面活性劑、甲基丙烯酸單體和交聯劑分散于水中，得到水分散液；將所述水分散液與氧化劑混合，在氮氣保護下進行聚合反應，得到交聯的PMAA微球模板；

(2)將偏釩酸銨、草酸在水中進行氧化還原反應，得到釩氧化合物中間體溶液；

(3)將所述步驟(1)得到的交聯的PMAA微球模板、所述步驟(2)得到的釩氧化合物中間體溶液和鎂鹽混合，進行凝膠化反應，得到Mg_xV₂O₅/PMAA前驅體；