[發(fā)明專利]一種氮摻雜碳包覆氮化釩電極材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710507961.5
• 申請(qǐng)日: 2017-06-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107256956B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐立強(qiáng);朱琳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 韓獻(xiàn)龍

本發(fā)明涉及一種氮摻雜碳包覆氮化釩電極材料及其制備方法與應(yīng)用。該電極材料是先以五氧化二釩為主要原料制備得到五氧化二釩納米線前驅(qū)體；然后以吡咯單體為主要原料在五氧化二釩納米線前驅(qū)體表面包覆聚吡咯；最后經(jīng)過(guò)煅燒制備得到。制備方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性高，對(duì)設(shè)備和藥品要求較低；所制備的電極材料不僅可以應(yīng)用于鋰硫電池正極材料，還能夠用作鋰離子電池負(fù)極材料，并能夠和石墨烯復(fù)合，且均展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氮摻雜碳包覆氮化釩電極材料及其制備方法與應(yīng)用，屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著能源需求的日益增長(zhǎng)，鋰離子電池作為一種清潔的能源儲(chǔ)存器件，在現(xiàn)代社會(huì)得到了廣泛的應(yīng)用。目前商業(yè)化鋰離子電池能量密度較低，無(wú)法滿足大功率電器的要求，因此開(kāi)發(fā)新型的高比容量的鋰電材料成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。鋰硫電池由于其具有超高的能量密度，在應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。另外，硫在地球的儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉而且環(huán)境友好，這些優(yōu)點(diǎn)使得鋰硫電池體系極具商業(yè)應(yīng)用前景。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，鋰硫電池仍然有許多急需解決的問(wèn)題，如單質(zhì)硫?qū)щ娦暂^差，硫在室溫下導(dǎo)電率極低，從而影響電池的倍率性能；電池中間產(chǎn)物多硫化物的溶解會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)的損失，從而影響庫(kù)侖效率，降低電池容量；另外，硫和硫化鋰密度差較大，導(dǎo)致體積膨脹，從而破壞材料形貌和結(jié)構(gòu)，造成容量衰減。為了解決上述的問(wèn)題，近年來(lái)研究者對(duì)鋰硫電池體系進(jìn)行了一系列優(yōu)化，碳、導(dǎo)電聚合物等多孔材料被用作鋰硫電池中硫的載體材料，以解決硫不導(dǎo)電和體積膨脹的問(wèn)題。如，中國(guó)專利文獻(xiàn)CN104466183A公開(kāi)了一種聚吡咯鋰硫電池正極材料及其制備方法，該鋰硫電池正極材料由表面生長(zhǎng)有荷葉狀和/或空心微球狀和/或顆粒狀聚吡咯體的聚吡咯膜與單質(zhì)硫復(fù)合而成；制備方法是以含摻雜劑和吡咯單體的水溶液為電解液，采用電化學(xué)三電極法制備聚吡咯膜，聚吡咯膜在真空條件下與單質(zhì)硫熔融復(fù)合，即得；該方法步驟簡(jiǎn)單、操作便捷，制得的正極材料可用于制備鋰硫電池；但該材料中的聚吡咯導(dǎo)電性較差，不能很好的改善硫?qū)щ娦暂^差的問(wèn)題，應(yīng)用于鋰硫電池正極材料的電性能欠佳。又如中國(guó)專利文獻(xiàn)CN 105161722A公開(kāi)了一種鋰硫電池正極材料用多孔碳納米纖維膜及其制備方法，制備方法包括前軀體纖維制備、低溫預(yù)處理和高溫碳化處理；該發(fā)明多孔碳納米纖維膜具有連續(xù)通孔和超大比表面積，灌裝單質(zhì)硫后可應(yīng)用于鋰硫電池中，此外，還可廣泛用于超級(jí)電容器、吸附等領(lǐng)域中；但該發(fā)明制備的材料中碳材料的限域作用，會(huì)使較大量的硫溶出，造成硫的損失，使其電性能欠佳，且制備過(guò)程中需要進(jìn)行較高溫度的熱處理，成本較高。

現(xiàn)有技術(shù)中，碳及其多孔材料被用作鋰硫電池中硫的載體材料，由于一般碳材料的限域作用，會(huì)使較大量的硫溶出，造成硫的損失，不利于鋰硫電池的充放電性能，而且采用多孔碳基質(zhì)制備方法較為繁瑣，成本較高，不能滿足實(shí)際的要求。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種氮摻雜碳包覆氮化釩電極材料，旨在應(yīng)用于鋰硫電池正極材料時(shí)抑制充放電過(guò)程中多硫化物的溶解速率，降低鋰硫電池的容量衰減率，所制備的電極材料應(yīng)用于鋰硫電池正極材料具有高容量及好的循環(huán)性能和倍率性能。

本發(fā)明還提供一種氮摻雜碳包覆氮化釩電極材料的制備方法及其應(yīng)用，該制備方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性高，對(duì)設(shè)備和藥品要求較低；所制備的電極材料不僅可以應(yīng)用于鋰硫電池正極材料，還能夠用作鋰離子電池負(fù)極材料，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種氮摻雜碳包覆氮化釩電極材料，所述電極材料的微觀形貌是：氮化釩納米線表面包覆有氮摻雜的碳材料；所述氮化釩納米線的直徑為30-150nm，長(zhǎng)度為0.5-3μm，氮摻雜碳層的厚度為10-40nm。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述電極材料中氮化釩的質(zhì)量含量為65-80％，碳的質(zhì)量含量為20-35％。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述電極材料是先以五氧化二釩為主要原料制備得到五氧化二釩納米線前驅(qū)體；然后以吡咯單體為主要原料在五氧化二釩納米線前驅(qū)體表面包覆聚吡咯；最后經(jīng)過(guò)煅燒制備得到。