CN107546380A - 一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法 Download PDF

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向勇
李明
彭晓丽
张晓晴
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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种新型的锂离子电池复合正极材料。本发明以Li3V2(PO4)3材料为核，通过将快离子导体型固态电解质镶嵌在包覆碳层中，与碳形成双包覆的核壳结构，针对性地提高磷酸钒锂材料的锂离子传导速率，既弥补了磷酸钒锂材料本身电子电导率低的缺陷，又能明显地改善锂离子传导速率，从而较为全面地提升磷酸钒锂正极材料的性能，包括降低阻抗，提高比容量，提高循环和倍率性能等。

Description

一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池凭借其电压高、容量大、质量轻、体积小、循环寿命长等优点，成为目前最热门最具有发展前景的电化学能源。近年来，锂离子电池已经成为电子设备电动汽车等领域的主要能源之一。但有机电解液带来的安全隐患，以及电极材料中离子扩散速率低等问题限制了锂离子电池的进一步发展。目前学者们的主要研究方向也围绕这两大问题开展：1.研究可以避免锂离子电池长期循环使用过程中安全隐患的凝胶电解质、纯固态电解质等新型的电解质；2.研究具有更高能量密度、更高电子及离子传导速率的新型电极材料。
锂离子电池当中，正极材料决定了电池的电压、容量，同时也影响着离子传导速率。锂离子电池正极材料按结构可主要分为以下三种：1.层状化合物(LiMO2)，如商业化较成熟的LiCoO2；2.尖晶石型化合物(LiM2O4)，如LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等；3.聚阴离子型化合物，如LiFePO4、Li3V2(PO4)3等。
题为《Li3V2(PO4)3@C core-shell nanocomposite as a superior cathodematerial for lithium-ion batteries》，发表在Nanoscale上的文章中，利用溶剂热辅助溶胶-凝胶的方法，以抗坏血酸为还原剂和碳源，并添加PEG-400作为分散剂，制备得到碳包覆的纳米核壳结构的磷酸钒锂材料。碳包覆以及纳米结构显著地提高了材料的电子传导率，但并没有较好地解决磷酸钒锂材料中离子传导速率低的问题。
题为《Y-doped Li3V2(PO4)3/C as cathode material for lithium-ionbatteries》，发表在Journal of Applied Electrochemistry上的文章中，利用液相反应法，在不改变磷酸钒锂单斜结构的前提下掺杂Y元素，改善了正极材料的电子电导率以及倍率性能。但仍未能较为明显地提高离子传导速率从而改善材料的充放电循环性能。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有Li3V2(PO4)3材料存在的电子电导率低以及锂离子传导速率低的技术问题，本发明提供了一种锂离子电池复合正极材料及其制备方法。
该锂离子电池复合正极材料为核壳结构，其核为粒径200～500nm的Li3V2(PO4)3材料，外层包覆一层10～200nm厚的碳层，碳层内嵌有粒径20～150nm的纯固态电解质颗粒，碳层与纯固态电解质共同形成对Li3V2(PO4)3材料双包覆的核壳结构。
其制备方法如下：
步骤1、将抗坏血酸溶于去离子水中，70℃-90℃搅拌，然后加入LiNO3·H2O、La(NO3)3·6H2O和Zr(NO3)4·5H2O，摩尔比例为抗坏血酸：LiNO3·H2O：La(NO3)3·6H2O：Zr(NO3)4·5H2O＝3.5：7：3：12，再继续搅拌至形成溶胶。
步骤2、后加入Li3V2(PO4)3材料，转移至高压反应釜中，180～200℃下反应24～40h，后将所得产物70～90℃下搅拌直至蒸干水分。
步骤3、最后将所得前躯体，在700～780℃通惰性气体氛围下烧结8～10h，得到最终材料。
本发明以Li3V2(PO4)3材料为核，通过将快离子导体型固态电解质镶嵌在包覆碳层中，与碳形成双包覆，针对性地提高磷酸钒锂材料的锂离子传导速率，既弥补了磷酸钒锂材料本身电子电导率低的缺陷，又能明显地改善锂离子传导速率。
综上所述，本发明不仅提高了正极材料的电子电导率，同时也兼顾提高了材料的锂离子传导速率，从而较为全面地提升磷酸钒锂正极材料的性能，包括降低阻抗，提高比容量，提高循环和倍率性能等。
附图说明
图1为本发明结构以及电子和锂离子传导示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
以抗坏血酸为碳源、Li7La3Zr2O12为固态电解质，与Li3V2(PO4)3共同制备双包覆的复合正极材料。
步骤1、将抗坏血酸溶于去离子水中，80℃搅拌，后加入LiNO3·H2O、La(NO3)3·6H2O和Zr(NO3)4·5H2O，摩尔比例为抗坏血酸：LiNO3·H2O：La(NO3)3·6H2O：Zr(NO3)4·5H2O＝3.5：7：3：12，继续搅拌至形成溶胶。
步骤2、后加入前面制备好的Li3V2(PO4)3材料，转移至高压反应釜中，180～200℃反应24～40h，后将所得产物70～90℃下搅拌直至蒸干水分，
步骤3、最后将所得前躯体，在700～780℃通惰性气体氛围下烧结8～10h，得到最终材料。
本发明通过将快离子导体型纯固态电解质镶嵌在包覆碳层中，与碳形成双包覆；碳层针对性地提高了电子电导率，纯固态电解质针对性地提高磷酸钒锂材料的锂离子传导速率，相比现有的Li3V2(PO4)3材料既弥补了Li3V2(PO4)3材料本身电子电导率低的缺陷，又能明显地改善锂离子传导速率。

Claims (2)

1.一种锂离子电池复合正极材料，为核壳结构，其特征在于：
其核为粒径200～500nm的Li3V2(PO4)3材料，外层包覆一层10～200nm厚的碳层，碳层内嵌有粒径20～150nm的纯固态电解质颗粒，碳层与纯固态电解质共同形成对Li3V2(PO4)3材料双包覆的核壳结构。
2.如权利要求1所述锂离子电池复合正极材料的制备方法，具体如下：
步骤1、将抗坏血酸溶于去离子水中，70℃-90℃搅拌，然后加入LiNO3·H2O、La(NO3)3·6H2O和Zr(NO3)4·5H2O，摩尔比例为抗坏血酸：LiNO3·H2O：La(NO3)3·6H2O：Zr(NO3)4·5H2O＝3.5：7：3：12，再继续搅拌至形成溶胶；
步骤2、在步骤1制得产物加入Li3V2(PO4)3材料，转移至高压反应釜中，180～200℃下反应24～40h，然后于70～90℃下搅拌直至蒸干水分；
步骤3、将步骤2所得产物，在700～780℃通惰性气体氛围下烧结8～10h，即可得到新型的锂离子电池复合正极材料。
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