CN105304879A - 一种复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法 - Google Patents
一种复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法,包括以下步骤:将锂源、钒源与钼源按锂、钒、钼元素摩尔比为3~1:1:3~1的比例混合均匀;然后加入还原剂和分散剂,常温条件下进行机械活化;将机械活化后的产物置于惰性气氛中进行烧结,即得到Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4复合材料。本发明首次将Li3V(MoO4)3和LiVOMoO4制成复合材料,该复合材料在较低电位下(~0.5V?vs.Li+/Li)具有脱嵌锂性能,作为锂离子电池负极具有很高的可逆电比容量,高出现有技术几倍,且该复合材料容量主要集中在低电位,使其作为负极具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域,尤其涉及一种新型复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法。
背景技术
锂离子电池具有比能量高、无记忆效应、环境友好等优异性能,已经广泛应用于移动电话和笔记本电脑等便携式移动设备中。作为动力电池,锂离子电池在电动自行车和电动汽车上也具有广泛的应用前景。然而,随着人们对长续航里程要求的日益提高,目前锂离子电池发展水平难以满足人类需求,开发高能量密度的锂离子电池显得尤为迫切。当前制约锂离子能量密度的关键组成部分为电极材料。目前锂离子电池的负极材料主要采用石墨材料。石墨材料虽然具有较好的循环稳定性,但是其容量较低,理论比容量仅为372mAhg-1。新一代锂离子电池对电极材料的比容量提出了更高的要求,因此寻找高容量、高循环稳定性的可替代石墨的负极材料成为目前研究的重要内容之一。
钼酸钒锂(Li3V(MoO4)3)是一种新型的聚阴离子型材料,2010年由Mikhailova及其团队成员首次成功合成[ChemistryofMaterials2010,22(10),3165-3173]。报道中,Li3V(MoO4)3是通过高温固相反应法合成,在合成过程中,化学计量比的原材料需要在氩气气氛下加热到750℃并恒温焙烧30h,且钒源为三价钒,钼源则需要Li2MoO4、MoO3共同参与,合成条件苛刻。Li3V(MoO4)3具有斜方晶系NASICON型晶体结构,晶格中拥有较大的锂离子嵌入脱出通道并被部分Li+半充满,在1.8V到4.9V的电压范围内,0.1C充放电倍率下,Li3V(MoO4)3的比容量为150mAhg-1[ChemistryofMaterials2013,25:2708-2715]。然而,Li3V(MoO4)3作为聚阴离子型负极材料的电子导电性较低,循环性能和倍率性能均较差,限制了其在锂离子电池负极材料中的应用。并且现有的制备方法控制条件苛刻、能量消耗大、制备时间长、生产成本高,制备出的材料成分分布不均匀、颗粒较大、电化学性能不稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种高容量、高循环稳定性能的新型复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法,包括以下步骤:
(1)将锂源、钒源与钼源按锂、钒、钼元素摩尔比为3~1:1:3~1的比例混合均匀;
(2)在步骤(1)得到的混合物中加入还原剂和分散剂,常温条件下进行机械活化;
(3)将机械活化后的产物置于惰性气氛中进行烧结,即得到Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4复合材料。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(2)中,还原剂为乙二酸、己二酸、丙二酸、苦杏仁酸、苹果酸、甲醛、乙醛、正丁醛、异丁醛、四乙基乙二醇、异丙醇、抗坏血酸、超导碳黑、尿素和柠檬酸中的一种或几种;分散剂为酒精。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(2)中,机械活化为球磨、对辊或机械振荡,机械活化的时间为0.5~20h。
上述的制备方法,优选的,所述机械活化的时间为2~10h。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(3)中,烧结温度为450℃~800℃,更进一步优选的,烧结温度为500~650℃,烧结的时间为0.5~20h。发明人在大量的实验中发现,可以通过控制温度来精确调整材料中的各组分的量。温度是Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4影响复合材料中组分比例的关键因素,焙烧温度的适当升高有利于增加复合材料中LiVOMoO4量。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(1)中,锂源为氟化锂、碳酸锂、乙酸锂、氢氧化锂、硝酸锂、乳酸锂、草酸锂、氧化锂、甲酸锂、磷酸氢锂、磷酸二氢锂、磷酸铵锂或磷酸二铵锂中的一种或几种;钼源为钼酸铵、钼酸锂、钼酸钠、三氧化钼、钼酸锌、钼酸铁中的一种或几种;钒源为五氧化二钒、偏钒酸铵、草酸过氧钒中的一种或几种。由于低价钒很难制备,且纯度无法保证,价格昂贵,本发明采用高价矾为原料,节省了工艺成本。
上述的制备方法,优选的,所述还原剂的加入量为使高价(+5价)钒被还原成低价钒(+3价)所需理论摩尔用量的1~3倍。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(3)中,惰性气氛为氢气、氩气或氮气。
本发明将Li3V(MoO4)3和新型的聚阴离子型氧化物LiVOMoO4复合,二者各自发挥自己材料的优势,而且相互之间产生协同效应,使得复合材料性能明显优于单体材料。本发明将以上两种新型的聚阴离子型负极材料复合,利用钼酸氧钒锂较好的电子特性等优势对钼酸钒锂基聚阴离子型负极材料进行改性,达到优势互补的目的。同时,为保证复合材料的均匀性,进一步提高复合材料生产过程的生产效率以及降低生产过程的生产成本,本发明通过机械活化-热处理的方法制备复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4,通过调控材料烧结温度来精确调控材料组分,使获得的复合负极材料在晶体内部产生互溶互掺杂,复合负极材料内部中离子和电子传输的晶界阻力减小,其电化学性能得到提高,使其在低电压下具备储锂能力,提高其循环性能和倍率性能,使得其在负极上的应用成为可能。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明首次将Li3V(MoO4)3和LiVOMoO4制成复合材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4,而且发现其在较低电位下(~0.5Vvs.Li+/Li)具有脱嵌锂性能,该复合材料作为锂离子电池负极具有很高的可逆电比容量,高出现有技术几倍,且该复合材料容量主要集中在低电位,使其作为负极具有很好的应用前景。
(2)本发明的制备方法采用机械活化辅助低温热处理,在常温下,可利用还原剂直接将高价钒还原并合成出颗粒细小、成分均匀、性质稳定的无定形Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4复合材料前驱体,使原料初步反应并达到分子级别的混合,且材料表面缺陷储存了大量的能量,有利于后续的结晶反应,降低材料的合成温度。
(3)本发明的制备方法过程中选择过量的还原剂,既保证+5价钒能够完全被还原+3价钒;同时在高温条件下多余的还原剂会被焙烧为无定型碳,无定型碳在负极材料中提供了电子导电性、改善了负极材料的界面稳定性。
(4)本发明采用机械活化辅助低温热处理制备出性能优异的Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4复合材料,合成条件简单,流程短,能耗低,生产成本小。
(5)本发明通过控制焙烧温度来调控复合材料组分含量,使得到的复合材料更加均匀,一致性更好,易于形成均一或梯度结构材料。
(6)本发明制备方法获得的复合材料,各组分在晶体尺寸上形成互溶互掺杂,材料内部中离子和电子传输的晶界阻力大大减小,材料电化学性能得到明显提高。
(7)本发明制备出的复合材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4在0.01-3.0V的电压范围内,50mAg-1电流密度下首次可逆比容量高达740mAhg-1,且在100mAg-1电流密度下20次循环后容量保持率在99.8%以上,材料具有优良的电化学性能。
(8)本发明的制备方法不限制钒源中钒的价态,从而大大增加了钒源的来源,降低了原材料的成本,更有利于工业化进程。
综上所述,本发明提供了一种新型的有应用前景的高比容量及优异循环性能的锂离子电池负极复合材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法,本发明的制备方法是一种合成周期短、原材料来源广、合成条件控制简便、合成方法简单、易于实现大规模生产的制备方法。
附图说明
图1为本发明实施例1在600℃下烧结获得的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的扫描电镜图。
图2为本发明实施例1在600℃下烧结获得的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的XRD衍射图。
图3为本发明实施例1在600℃下烧结获得的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4制成扣式电池的首次充放电曲线图。
图4为本发明实施例1在600℃下烧结获得的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4制成扣式电池的循环曲线图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明,本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
实施例1:
一种本发明的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法,包括以下步骤:
(1)按锂、钒、钼元素摩尔比为3:1:3,称取草酸锂、五氧化二钒和钼酸铵并混合均匀,然后加入过量20%的柠檬酸作为还原剂(柠檬酸的加入量为将+5价的矾还原成+3价矾所需理论量的1.2倍),以酒精溶液作为分散剂,再次充分混合,将得到的混合溶液加入到球磨罐中(混合溶液中混合物体质量与乙醇的体积相对比为0.68gmL-1)进行液相球磨8h,得到亚微米反应物前躯体;
(2)将步骤(1)机械活化得到的反应物前驱体分成4份,在氩气保护下,先以5℃min-1的升温速率升至300℃预焙烧2h,然后分别加热到500℃、550℃、600℃和650℃下,恒温烧结10h,最后自然降温冷却至室温后,即可制得锂离子电池复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4。
将本实施例得到的4份复合负极材料组装成扣式电池测其充放电容量和倍率性能。在0.01V~3V的电压范围内,测试不同倍率下的充放电性能,其详细数据见表1。
表1实施例1的实验条件和结果
如图1为本实施例在600℃下烧结获得的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的扫描电镜图,可以看出本实施例的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的合成颗粒均匀细小,团聚紧密,这种密实的结构有利于材料在充放电循环过程中可逆循环的顺利进行。
如图2为本实施例在600℃下烧结获得的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的XRD图,通过XRD图可以发现,材料中出现了两种物质的特征峰,可以证明这种材料为Li3V(MoO4)3和LiVOMoO4的复合材料,通过粉末精修手段可以算出复合材料中Li3V(MoO4)3和LiVOMoO4的比例为1:2。
将本实施例在600℃下烧结获得的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4制成扣式电池,其在50mAg-1充电倍率下的首次充放电曲线图如图3所示,首次充电比容量达到770mAhg-1,远高于现有的工业化生产的石墨等负极材料,且首次库仑效率可以达到79%。在100mAg-1充电倍率下循环20次后的循环曲线图如图4所示,循环20次,容量几乎没有衰减。
实施例2:
一种本发明的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法,包括以下步骤:
(1)按锂、钒、钼元素摩尔比为3:1:3,称取乙酸锂、偏钒酸铵和钼酸钠并混合均匀,然后加入过量20%的草酸作为还原剂(草酸的加入量为将+5价的矾还原成+3价矾所需理论量的1.2倍),以酒精溶液作为分散剂,再次充分混合,将得到的混合溶液加入到球磨罐中(混合溶液中混合物体质量与乙醇的体积相对比为0.68gmL-1),进行液相球磨8h,得到亚微米反应物前躯体;
(2)将步骤(1)机械活化得到的反应物前驱体分成4份,在氢气保护下,先以10℃min-1的升温速率升至300℃预焙烧2h,然后加热至600℃,分别烧结2h、6h、10h和15h,最后自然降温冷却至室温后,即可制得锂离子电池复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4。
将本实施例得到的4份复合负极材料组装成扣式电池测其充放电容量和倍率性能。在0.01V~3V的电压范围内,测试不同倍率下的充放电性能,其详细数据见表2。
表2实施例2的实验条件和结果
实施例3:
一种本发明的复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法,包括以下步骤:
(1)按锂、钒、钼元素摩尔比为3:1:3,称取4份质量相等的碳酸锂、草酸过氧钒和三氧化钼,以及过量20%的超导碳黑作为还原剂(超导碳黑的加入量为将+5价的矾还原成+3价矾所需理论量的1.2倍),以酒精溶液作为分散剂,充分混合,将得到的混合溶液加入到球磨罐中(混合溶液中混合物体质量与乙醇的体积相对比为0.68gmL-1),分别进行液相球磨4h、6h、8h和10h,得到亚微米反应物前躯体;
(2)将步骤(1)机械活化得到的反应物前驱体在氮气保护下,先10℃min-1的升温速率升至300℃预焙烧2h,然后加热至600℃烧结10h,最后自然降温冷却至室温后,即可制得锂离子电池复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4。
将本实施例得到的4份复合负极材料组装成扣式电池测其充放电容量和倍率性能。在0.01V~3V的电压范围内,测试不同倍率下的充放电性能,其详细数据见表3。
表3实施例3的实验条件和结果
Claims (9)
1.一种复合负极材料Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将锂源、钒源与钼源按锂、钒、钼元素摩尔比为3~1:1:3~1的比例混合均匀;
(2)在步骤(1)得到的混合物中加入还原剂和分散剂,常温条件下进行机械活化;
(3)将机械活化后的产物置于惰性气氛中进行烧结,即得到Li3V(MoO4)3/LiVOMoO4复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,还原剂为乙二酸、己二酸、丙二酸、苦杏仁酸、苹果酸、甲醛、乙醛、正丁醛、异丁醛、四乙基乙二醇、异丙醇、抗坏血酸、尿素、超导碳黑和柠檬酸中的一种或几种;分散剂为酒精。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,机械活化为球磨、对辊或机械振荡,机械活化的时间为0.5~20h。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述机械活化的时间为2~10h。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,烧结的温度为450℃~800℃,烧结的时间为0.5~20h。
6.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,烧结温度为500~650℃。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,锂源为氟化锂、碳酸锂、乙酸锂、氢氧化锂、硝酸锂、乳酸锂、草酸锂、氧化锂、甲酸锂、磷酸氢锂、磷酸二氢锂、磷酸铵锂或磷酸二铵锂中的一种或几种;钼源为钼酸铵、钼酸锂、钼酸钠、三氧化钼、钼酸锌、钼酸铁中的一种或几种;钒源为五氧化二钒、偏钒酸铵、草酸过氧钒中的一种或几种。
8.如权利要求1~7任一项所述的制备方法,其特征在于,所述还原剂的加入量为使高价钒被还原成低价钒所需理论摩尔用量的1~3倍。
9.如权利要求1~7任一项所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,惰性气氛为氢气、氩气或氮气。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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