CN107706379A - 一种磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料的制备方法 - Google Patents

一种磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料的制备方法,将可溶性的锂化合物、钒化合物和磷酸盐按照适当比例加入去离子水中配制溶液,然后加入适量柠檬酸钠钠和氧化石墨烯。然后把表面附着有钒化合物的碳基平躺着置于混合液中浸渍数天,取出浸渍后的碳基烘干,然后在保护气氛下进行高温煅烧一段时间,后取出冷却;重复上述步骤,最后再依次低温碳化处理和高温合成处理,在基体表面得磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。本发明的磷酸钒锂正极材料不仅具有比容量高,循环性能好,倍率性能好等优势,也集聚了成本低,绿色环保等优点。

Description

一种磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料的制备方法
技术领域
本发明属于电池正极复合材料的技术领域,更具体的,涉及一种磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料的制备方法。
背景技术
自Goodenough 等首次提出聚阴离子锂电正极材料磷酸铁锂以来,研究者对聚阴离子磷酸盐展开了大量研究,其中最为成功的就是实现了磷酸铁锂正极材料的工业化生产,而人们对磷酸钒锂的研究报道不是很多,目前仍未实现工业化生产。但磷酸钒锂是性能比磷酸铁锂更优异的一种材料,具有以下优点:a、其具有优良的热稳定性,在目前所研究的正极材料中仅稍低于磷酸亚铁锂;b、有高的放电电压和多个放电电压平台,平均放电电压为4.1 V,高于磷酸亚铁锂的3.4 V放电电压,而且有3.5V、3.6V、4.1V 和4.6V 4 个放电平台;c、优异的循环稳定性和高的放电容量,理论容量为197mAh/g,高于磷酸亚铁锂170mAh/g的理论容量。可以看出,磷酸钒锂的研究空间很大。
目前磷酸钒锂/碳复合材料的合成方法有多种,石墨烯是由sp2杂化的碳原子构成的二维晶体,具有良好的导电性,大的比表面积。石墨烯优异的电学性能使其适合作为导电添加剂。将两者复合,制备磷酸铁锂/石墨烯/碳复合材料的方法还没有,复旦大学以乙二醇作为溶剂,使用溶剂热法在250℃下原位合成磷酸铁锂/石墨烯/碳复合材料,通过这种方法能够合成得到均一度较好的纳米尺寸的磷酸铁锂颗粒,并且使磷酸铁锂颗粒均匀分布在石墨烯片上,这样石墨烯就能够在提供锂离子迁移通道,同时乙二醇可以提高磷酸铁锂颗粒的分散性,但是该方法操作繁琐,成本高,浓度不好控制,产品性能受影响,同时该方法也不能很好的适用于制备磷酸钒锂/石墨烯/碳复合材料。
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,提供一种简单、环保、结构稳定、循环性能好、生产成本低廉的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料的制备方法。
本发明另一个解决的技术问题在于提供一种磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现:
提供一种磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、将可溶性的锂化合物、铁化合物、磷酸盐按照锂、铁、磷的原子比为3:2:3混合置于去离子水中,同时加入适量柠檬酸钠和氧化石墨烯,在一定的温度下充分搅拌形成混合液;
S2、把表面附着有钒化合物的碳基平躺着置于步骤S1所得混合液中浸渍数天,取出浸渍后的碳基烘干,然后在保护气氛下进行高温煅烧一段时间,后取出冷却;
S3、以煅烧冷却后的基体为对象,重复步骤S1、S2不少于2次;
S4、将步骤S3所得基体在保护性气氛下进行依次低温碳化处理和高温合成处理,得磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。
本发明创造性的将表面附着有钒化合物的碳基置于含有锂离子、钒离子、磷离子、柠檬酸钠和氧化石墨烯的混合溶液中浸渍数天,混合溶液中,同时进行三组反应,氧化石墨烯和锂离子、钒离子、磷离子发生反应,柠檬酸钠和锂离子、钒离子、磷离子发生反应,氧化石墨烯与柠檬酸钠发生还原反应,最终三组反应可形成初步复合材料,当基体浸入混合液后,碳基表面附着的钒化合物可作为晶种,让复合材料种子周围生长、变大,直至形成性能优良的复合材料,所形成的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合材料性能优越,同时本发明的制备方法工艺简单、容易操作、成本较低。
优选地,步骤S1中所述柠檬酸钠加入后的质量分数为5~25%,所述氧化石墨烯加入后的质量分数为5~10%,在温度70~90oC下搅拌0.5~2h。
优选地,步骤S2所述表面附着有钒化合物的碳基在混合液中浸渍的天数为3~5天;
优选地,步骤S2所述高温煅烧在管式炉中进行,温度为800~1000℃,煅烧时间为0.5~1h,保护气氛为氮气。
优选地,步骤S4中,所述低温碳化处理具体参数为:在500~580℃下低温碳化1~2h,优选为在550℃下低温碳化1.5h;所述高温合成处理具体参数为:在800-900℃下高温合成2~3h,优选为在950℃下高温合成2.5h。
优选地,所述表面附着有钒化合物的碳基的制备方法为:将适量钒化合物与纯水混合形成溶液或悬浊液,采用喷雾的形式将上述溶液或者悬浊液均匀喷涂在基体表面,然后把喷涂有钒化合物溶液的碳基真空烘干,再置于管式炉中,一定温度下在保护气氛中煅烧一定时间。
进一步优选地,基体上所述钒化合物为V2O5、NH4VO3、V2O3的一种或多种,所述钒化合物制成水溶液或者悬浊液的浓度为0.1~0.15mmol/ml;
进一步优选地,所述真空烘干具体操作是将基体置于温度为110℃~120℃的真空干燥箱中烘干1~5小时;
进一步优选地,管式炉中煅烧温度为300~600℃,时间为1~2小时,所述保护气体为氮气。
本发明还通过复合正极材料的制备方法制备得到的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明合成的的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料具有多孔道特点,这种结构能让电解液很容易的进来,增大了电解液与复合材料的接触面积,大大缩短了锂离子的传输路径,提高了锂离子的传输效率,从而获得了良好的电化学性能。
(2)在制备表面有钒化合物的碳基时,本发明创造性的将钒化合物制备水溶液,通过喷雾法来将钒化合物的水溶液均匀喷涂在基体表面,这些基体表面的钒化合物即为晶种,当基体浸渍在混合溶液中时,这些晶种的存在不但利于磷酸钒锂晶体的形成,也使形成的颗粒均匀的分布在基体上,从而形成的复合材料的性能更加优越。
(3)本发明的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料不仅具有比容量高,循环性能好,倍率性能好等优势,也集聚了成本低,绿色环保等些优点。同时,本发明磷酸钒锂/石墨烯正极复合材料的制备方法工艺简单、容易操作、成本较低,为获得上述性能优良的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料提供了有效途径。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明。以下实施例仅为示意性实施例,并不构成对本发明的不当限定,本发明可以由发明内容限定和覆盖的多种不同方式实施。除非特别说明,本发明采用的试剂、化合物和设备为本技术领域常规试剂、化合物和设备。
本发明实施例中所用氧化石墨烯均采用改进的Hummers制备得到。
实施例1
表面有V2O5的基体的制备:将V2O5溶于纯水中制备0.1 mmol/ml V2O5的水溶液,用简单喷雾装置向木蝴蝶基体上均匀喷洒,然后把不锈钢基体置于真空干燥箱中在80℃下烘4小时,再把木蝴蝶基体置于管式炉中,在氮气气氛中、300℃煅烧2小时,得表面有V2O5的木蝴蝶基体。
S1、将摩尔比为3:1:3的乙酸锂、五氧化二钒和磷酸二氢铵溶于去离子水中,然后加入5%的柠檬酸钠和5%的氧化石墨烯,放在磁力搅拌器上在70℃搅拌0.5h形成混合溶液;
S2、把表面有五氧化二钒的基体平躺着置于步骤S1所得混合溶液中浸渍3天,取出浸渍后的基体置于真空干燥箱中烘干,然后放到管式炉中在氮气保护气氛下进行1000度煅烧0.5h,后取出冷却;
S3、步骤S2所得煅烧冷却后的基体为对象,重复步骤S1、S2 2次;
S4、将步骤S3所得基体置于通氮气的管式炉中于500℃进行低温碳化2h,然后升温至800℃进行高温合成2h,最后得的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。
所得的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料在5C倍率下充放电时,室温下首次放电比容量可达168mAh/g;经过50次循环后,容量保持率为93.9 %。
实施例2
表面有V2O5的基体的制备:将V2O5溶于纯水中制备0.1 mmol/ml V2O5的水溶液,用简单喷雾装置向灯芯草基体上均匀喷洒,然后把灯芯草基体置于真空干燥箱中在80℃下烘5小时,再把灯芯草基体置于管式炉中,在氮气气氛中、300℃煅烧8小时,得表面有V2O5的灯芯草基体。
S1、将摩尔比为3:1:3的乙酸锂、五氧化二钒和磷酸二氢铵溶于去离子水中,然后加入10%的柠檬酸钠和7%的氧化石墨烯,放在磁力搅拌器上在80℃搅拌0.5h形成混合溶液;
S2、把表面有五氧化二钒的基体平躺着置于步骤S1所得混合溶液中浸渍4天,取出浸渍后的基体置于真空干燥箱中烘干,然后放到管式炉中在氮气保护气氛下进行1000度煅烧0.5h,后取出冷却;
S3、步骤S2所得煅烧冷却后的基体为对象,重复步骤S1、S2 3次;
S4、将步骤S3所得基体置于通氮气的管式炉中于550℃进行低温碳化1.5h,然后升温至850℃进行高温合成2.5h,最后得的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。
所得的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料在5C倍率下充放电时,室温下首次放电比容量可达173mAh/g;经过50次循环后,容量保持率为96.8 %。。
实施例3
表面有V2O5的基体的制备:将V2O5溶于纯水中制备0.1 mmol/ml V2O5的水溶液,用简单喷雾装置向灯芯草基体上均匀喷洒,然后把灯芯草基体置于真空干燥箱中在120℃下烘1小时,再把灯芯草基体置于管式炉中,在氮气气氛中、400℃煅烧1小时,得表面有V2O5的灯芯草基体。
S1、将摩尔比为3:1:3的乙酸锂、五氧化二钒和磷酸二氢铵溶于去离子水中,然后加入15%的柠檬酸钠和8%的氧化石墨烯,放在磁力搅拌器上在80℃搅拌0.5h形成混合溶液;
S2、把表面有五氧化二钒的基体平躺着置于步骤S1所得混合溶液中浸渍5天,取出浸渍后的基体置于真空干燥箱中烘干,然后放到管式炉中在氮气保护气氛下进行1000度煅烧1h,后取出冷却;
S3、步骤S2所得煅烧冷却后的基体为对象,重复步骤S1、S2 4次;
S4、将步骤S3所得基体置于通氮气的管式炉中于530℃进行低温碳化1h,然后升温至900℃进行高温合成2h,最后得的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。
所得的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料在5C倍率下充放电时,室温下首次放电比容量可达156mAh/g;经过50次循环后,容量保持率为94.1 %。
实施例4
表面有V2O5的基体的制备:将V2O5溶于纯水中制备0.1 mmol/ml V2O5的水溶液,用简单喷雾装置向木蝴蝶基体上均匀喷洒,然后把木蝴蝶基体置于真空干燥箱中在80℃下烘2小时,再把木蝴蝶基体置于管式炉中,在氮气气氛中、600℃煅烧1小时,得表面有V2O5的木蝴蝶基体。
S1、将摩尔比为3:1:3的乙酸锂、五氧化二钒和磷酸二氢铵溶于去离子水中,然后加入25%的柠檬酸钠和10%的氧化石墨烯,放在磁力搅拌器上在90℃搅拌0.5h形成混合溶液;
S2、把表面有五氧化二钒的基体平躺着置于步骤S1所得混合溶液中浸渍4天,取出浸渍后的基体置于真空干燥箱中烘干,然后放到管式炉中在氮气保护气氛下进行900度煅烧1h,后取出冷却;
S3、步骤S2所得煅烧冷却后的基体为对象,重复步骤S1、S2 2次;
S4、将步骤S3所得基体置于通氮气的管式炉中于580℃进行低温碳化2h,然后升温至900℃进行高温合成3h,最后得的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。
所得的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料在5C倍率下充放电时,室温下首次放电比容量可达149mAh/g;经过50次循环后,容量保持率为93.3 %。
发明人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程,但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程,即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.将可溶性的锂化合物、钒化合物、磷酸盐按照锂、钒、磷的原子比为3:2:3混合置于去离子水中,同时加入适量柠檬酸钠和氧化石墨烯,在一定的温度下充分搅拌形成混合液;
S2.把表面附着有钒化合物的碳基平躺着置于步骤S1所得混合液中浸渍数天,取出浸渍后的碳基烘干,然后在保护气氛下进行高温煅烧一段时间,后取出冷却;
S3.以煅烧冷却后的基体为对象,重复步骤S1、S2不少于2次;
S4.将步骤S3所得基体在保护性气氛下进行依次低温碳化处理和高温合成处理,在基体表面得磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。
2.根据权利要求1所述复合正极材料的制备方法,其特征在于,步骤S1中所述柠檬酸钠加入后的质量分数为5~25%,所述氧化石墨烯加入后的质量分数为5~10%,在温度70~90oC下搅拌0.5~2h。
3.根据权利要求1所述复合正极材料的制备方法,其特征在于,步骤S2所述表面附着有钒化合物的碳基在混合液中浸渍的天数为3~5天。
4.根据权利要求1所述复合正极材料的制备方法,其特征在于,步骤S2所述高温煅烧在管式炉中进行,温度为800~1000℃,煅烧时间为0.5~1h,保护气氛为氮气。
5.根据权利要求1所述复合正极材料的制备方法,其特征在于,步骤S4中,所述低温碳化处理具体参数为:在500~580℃下低温碳化1~2h,优选为在550℃下低温碳化1.5h;所述高温合成处理具体参数为:在800-900℃下高温合成2~3h,优选为在850℃下高温合成2.5h。
6.根据权利要求1~5任一项所述复合正极材料的制备方法,其特征在于,所述表面附着有钒化合物的碳基的制备方法为:将适量钒化合物与纯水混合形成溶液或悬浊液,采用喷雾的形式将上述溶液或者悬浊液均匀喷涂在基体表面,然后把喷涂有钒化合物溶液的碳基真空烘干,再置于管式炉中,一定温度下在保护气氛中煅烧一定时间。
7.根据权利要求6所述复合正极材料的制备方法,其特征在于,基体上所述钒化合物为V2O5、NH4VO3、V2O3的一种或多种,所述钒化合物制成水溶液或者悬浊液的浓度为0.1~0.15mmol/ml。
8.根据权利要求6所述复合正极材料的制备方法,其特征在于,所述真空烘干具体操作是将基体置于温度为110℃~120℃的真空干燥箱中烘干1~5小时。
9.根据权利要求5所述复合正极材料的制备方法,其特征在于,管式炉中煅烧温度为300~600℃,时间为1~2小时,所述保护气体为氮气。
10.一种根据权利要求1~5、7~9任一项所述复合正极材料的制备方法制备得到的磷酸钒锂/石墨烯/碳复合正极材料。
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