CN111668468B - 一种五氧化二钒-硼酸锂-石墨烯玻璃正极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种五氧化二钒-硼酸锂-石墨烯玻璃正极材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种V2O5‑LiBO2‑石墨烯玻璃正极材料及其制备方法和应用，方法包括：a)将V2O5和LiBO2混匀，升温，保温，淬火；再次保温，冷却后球磨，得到粒径D50小于10μm的粉体；b)将粉体和腐蚀混合，造孔，再和片状石墨烯分散液超声混合，得到前驱体；c)Ar氛围下，将前驱体退火，保温，得到玻璃正极材料。该方法通过将片状石墨烯引入到V2O5‑LiBO2中，作为强导电剂，采用腐蚀剂进行腐蚀造孔，再经过热处理和超声，使得片状石墨烯组装镶嵌填充在V2O5‑LiBO2玻璃微粒中，改善钒硼玻璃作为锂离子电池电极缺点，具有导电性高、可逆比容量高、电池循环稳定性强的性能优点。

Description

一种五氧化二钒-硼酸锂-石墨烯玻璃正极材料及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于正极材料技术领域，尤其涉及一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池由于比容量大、使用电位宽、能量密度高等优点，发展极为迅速，在日常生活中已有产品大规模投入使用。锂离子电池正极材料主要是钴、锰、镍等及其复合氧化物。商业应用已经证明这些材料具有高的电位及稳定性，但其比容量较低(205mAh/g)。此外，作为最早商用的正极材料，钴酸锂(LiCoO2)的理论比容量为273mAh/g，但是实际比容量只有约140mAh/g，同时还存在价格高、毒性大的缺陷；虽然镍酸锂(LiNiO2)的比容量可达到150mAh/g，略高于LiCoO2，但在LiNiO2的合成过程中，容易发生锂的缺失，合成满足标准化学组分的LiNiO2较困难；与LiCoO2相比，锰酸锂(LiMnO4)价格低廉，但理论比容量较低(148mAh/g)，且循环性能较差；磷酸铁锂(LiFeO4)的理论比容量可达到170mAh/g，但导电性较差，能量密度低。负极石墨理论比容量372mAh/g，实际比容量达360mAh/g，正极材料限制锂离子电池比容量。
目前这些因素制约着锂离子电池性能的提升，迫切需要研究和开发出新型的高性能正极材料以满足储能设备的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料及其制备方法和应用，该方法制备的正极材料具有导电性高、可逆比容量高、电池循环稳定性强的性能优点。
本发明提供了一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将质量比为7～9:2～3的V2O5和LiBO2混匀，升温至700～800℃，保温，淬火；180～220℃下保温8～10h，冷却后球磨，得到粒径D50小于10μm的粉体；
b)将所述粉体和腐蚀剂以质量比为1：1.8～2.3混合，进行造孔，再和片状石墨烯分散液超声混合，得到前驱体；
c)在0.015～0.025MPa的Ar氛围下，将所述前驱体200～400℃下退火，保温6～9h，得到V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。
优选地，所述步骤a)中升温速率为5～15℃/min；保温时间为10～30min。
优选地，所述步骤b)中腐蚀剂选自氢氟酸水溶液、水、氢氧化钠溶液、氨水和醋酸溶液；
所述氢氟酸水溶液的浓度为0.3～5mol/L；
所述氢氧化钠溶液的浓度为1～10mol/L；氨水的浓度为2～15mol/L；醋酸溶液的浓度为5～20mol/L。
优选地，所述步骤b)中片状石墨烯分散液的固含量为1～5％；
干燥的造孔产物和所述片状石墨烯分散液的质量比为1:1～6。
优选地，所述步骤b)中超声的温度为30～90℃；所述超声的时间为5～200min。
优选地，所述步骤b)中粉体和腐蚀剂在搅拌下混合，搅拌的速度为200～3000rpm，搅拌的温度为30～50℃，时间为3～120min。
优选地，所述步骤b)中干燥的温度为140～160℃；干燥的时间为2～26h。
本发明提供了一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料，由上述技术方案所述制备方法制得。
本发明提供了一种锂离子电池，由以下方法制得：
将V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料与粘结剂和溶剂混合，得到的浆料在铝箔上烘干，组装得到锂离子电池；
所述V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料为上述技术方案所述制备方法制得或上述技术方案所述V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。
本发明提供了一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料的制备方法，包括以下步骤：a)将质量比为7～9:2～3的V2O5和LiBO2混匀，升温至700～800℃，保温，淬火；180～220℃下保温8～10h，冷却后球磨，得到粒径D50小于10μm的粉体；b)将所述粉体和腐蚀剂以质量比为1：1.8～2.3混合，进行造孔，再和片状石墨烯分散液超声混合，得到前驱体；c)在0.015～0.025MPa的Ar氛围下，将所述前驱体200～400℃下退火，保温6～9h，得到V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。本发明提供的方法通过将片状石墨烯引入到V2O5-LiBO2中，作为强导电剂，采用腐蚀剂进行腐蚀造孔，再经过热处理和超声，使得片状石墨烯组装镶嵌填充在V2O5-LiBO2玻璃微粒中，制得一种“足球状”石墨烯-钒硼玻璃微粒复合材料，改善钒硼玻璃作为锂离子电池电极缺点，具有导电性高、可逆比容量高、电池循环稳定性强的性能优点。实验结果表明：V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃电阻率为1.3×103～8.9×104(Ω·m)；电池首次循环放电容量为403～424(mAh/g)，100个循环比放电容量为389～394(mAh/g)，保持率为92.6％以上。
附图说明
图1为本发明实施例中制备V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料过程示意图；
图2为本发明对比例中粉体(V2O5-LiBO2)玻璃材料的扫描电镜图；
图3为本发明实施例2制备的V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供了一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将质量比为7～9:2～3的V2O5和LiBO2混匀，升温至700～800℃，保温，淬火；180～220℃下保温8～10h，冷却后球磨，得到粒径D50小于10μm的粉体；
b)将所述粉体和腐蚀剂以质量比为1：1.8～2.3混合，进行造孔，再和片状石墨烯分散液超声混合，得到前驱体；
c)在0.015～0.025MPa的Ar氛围下，将所述前驱体200～400℃下退火，保温6～9h，得到V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。
本发明将质量比为7～9:2～3的V2O5和LiBO2混匀，升温至700～800℃，保温，淬火；180～220℃下保温8～10h，冷却后球磨，得到粒径D50小于10μm的粉体。本发明优选以5～15℃/min的升温速率升温至700～800℃。所述保温的时间优选为10～30min；所述球磨的时间优选为10～500min。具体实施例中，球磨的时间为100min。球磨后过筛，得到粒径D50小于10μm的粉体。
得到粉体后，本发明将所述粉体和腐蚀剂以质量比为1:1.8～2.3混合，进行造孔，再和片状石墨烯分散液超声混合，得到前驱体。在本发明中，所述腐蚀剂优选选自氢氟酸水溶液、水、氢氧化钠溶液、氨水和醋酸溶液；所述氢氟酸水溶液的浓度优选为0.95～1.05mol/L；所述氢氧化钠溶液的浓度优选为8～9mol/L；氨水的浓度优选为4～6mol/L；和醋酸溶液的浓度优选为5～7mol/L。具体实施例中，所述交联剂选自1mol/L的氢氟酸水溶液、5mol/L的氢氧化钠水溶液和6mol/L的醋酸溶液中的一种或多种。
在本发明中，所述步骤b)中粉体和腐蚀剂在搅拌下混合，搅拌的速度为200～3000rpm，搅拌的温度为30～50℃，时间为3～120min。
在本发明中，所述步骤b)中片状石墨烯分散液的固含量优选为1～5％；造孔产物和所述石墨烯分散液的质量比优选为1：1～6。所述超声的温度为30～90℃；所述超声的时间为5～200min。具体实施例中，所述超声的温度为40℃；超声的时间为50min。
超声混合后优选对产物进行干燥，所述干燥的温度为140～160℃；干燥的时间为2～26h。具体实施例中，所述干燥的温度为140℃，干燥的时间为10h、15h或5h。
得到前驱体后，本发明在0.015～0.025MPa Ar氛围下，将所述前驱体200～400℃下退火，保温6～9h，得到V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。在本发明具体实施例中，所述Ar的压力为0.02MPa。退火的温度为250℃或300℃；保温时间为6h或8h。
图1为本发明具体实施例中制备V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料，腐蚀剂以氢氟酸为例的过程示意图。
本发明提供了一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料，由上述技术方案所述制备方法制得。
本发明提供了一种锂离子电池，由以下方法制得：
将V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料与粘结剂和溶剂混合，得到的浆料在铝箔上烘干，组装得到锂离子电池；
所述V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料为上述技术方案所述制备方法制得或上述技术方案所述V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。
所述粘结剂为PVDF；所述粘结剂与V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料的质量比为1:8。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
对比例
将质量比为8:2的V2O5和LiBO2混匀，抽真空状态下，初始温度800℃，保温30min；然后倒入铁板上，快速冷却(淬火)。200℃保温9h后随炉降到室温，研磨成粉体，球磨100min，过筛，粒径D50小于10μm，真空包装；将所得的玻璃粉末:粘结剂PVDF＝8:1放入球磨罐中，然后滴入适量溶剂N-甲基吡咯烷酮球磨，所得的浆料涂在铝箔上烘干，最后组装锂离子电池并对电池电化学性能进行测试表征。
图2为本发明对比例中粉体(V2O5-LiBO2)玻璃材料的扫描电镜图；从图2看出：对比例中粉体(V2O5-LiBO2)玻璃整体表面平整有微裂纹，没有致密的小孔，无法进行负载粉体石墨烯。
实施例1
将质量比为8:2的V2O5和LiBO2混匀，将所得混合原料转移至氧化铝坩埚中，在加热炉中熔化，以10℃/min的升温速率升温至800℃，保温30min，抽真空状态下，倒入铁板上，快速冷却(淬火)，200℃保温9h后随炉降到室温，研磨成粉体，球磨100min，过筛，粒径D50小于10μm，真空包装；
在塑料烧杯中加入1mol/L的氢氟酸水溶液10mL和上述粉体5g，在搅拌下混合造孔，搅拌的速度为1000rpm，温度为400℃，时间为100min，再加入5g固含量为1％的片状石墨烯分散液，40℃下超声50min，再在140℃下干燥5h，得到前驱体；
将所述前驱体放入密闭管式加热炉中，Ar加压至0.02MPa下，加热至250℃，保温6h，降至室温，得到V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。
将上述V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料和PVDF放入球磨罐中，然后滴入适量溶剂N-甲基吡咯烷酮球磨，所得的浆料涂在铝箔上烘干，最后组装锂离子电池并对电池电化学性能进行测试表征。
实施例2
与实施例1的步骤相同，不同之处在于，再加入8g固含量为2％的片状石墨烯分散液。
图3为本发明实施例2制备的V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料的扫描电镜图；从图3能够看出：V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃粉体整体呈现球形，表面出现致密小孔，实现负载石墨烯粉体。
实施例3
与实施例1的步骤相同，不同之处在于，再加入12g固含量为3％的片状石墨烯分散液。
实施例4
与实施例1的步骤相同，不同之处在于，再加入16g固含量为4％的片状石墨烯分散液。
实施例5
与实施例1的步骤相同，不同之处在于，再加入20g固含量为5％的片状石墨烯分散液。
实施例6
将质量比为8:2的V2O5和LiBO2混匀，将所得混合原料转移至氧化铝坩埚中，在加热炉中熔化，以10℃/min的升温速率升温至800℃，保温20min，抽真空状态下，倒入铁板上，快速冷却(淬火)，200℃保温9h后随炉降到室温，研磨成粉体，球磨100min，过筛，粒径D50小于10μm，真空包装；
在塑料烧杯中加入10mL的5mol/L的氢氧化钠水溶液和上述粉体5g，在搅拌下混合造孔，搅拌的速度为2000rpm，温度为30℃，时间为10min，再加入20g固含量为1％的片状石墨烯分散液，40℃下超声50min，再在140℃下干燥15h，得到前驱体；
将所述前驱体放入密闭管式加热炉中，Ar加压至0.02MPa下，加热至300℃，保温8h，降至室温，得到V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。
将上述V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料和PVDF放入球磨罐中，然后滴入适量溶剂N-甲基吡咯烷酮球磨，所得的浆料涂在铝箔上烘干，最后组装锂离子电池并对电池电化学性能进行测试表征。
实施例7
将质量比为8:2的V2O5和LiBO2混匀，将所得混合原料转移至氧化铝坩埚中，在加热炉中熔化，以10℃/min的升温速率升温至800℃，保温10min，抽真空状态下，倒入铁板上，快速冷却(淬火)，200℃保温9h后，随炉降到室温，研磨成粉体，球磨100min，过筛，粒径D50小于10μm，真空包装；
在塑料烧杯中加入10mL的6mol/L醋酸溶液和上述粉体5g，在搅拌下混合造孔，搅拌的速度为3000rpm，温度为50℃，时间为50min，再加入20g固含量为1％的片状石墨烯分散液，40℃下超声50min，再在140℃下干燥10h，得到前驱体；
将所述前驱体放入密闭管式加热炉中，Ar加压至0.02MPa下，加热至300℃，保温8h，降至室温，得到V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。
将上述V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料和PVDF放入球磨罐中，然后滴入适量溶剂N-甲基吡咯烷酮球磨，所得的浆料涂在铝箔上烘干，最后组装锂离子电池并对电池电化学性能进行测试表征。
本发明对上述实施例1～7和对比例组装的锂离子电池进行性能测试，结果见表1：
表1实施例1～7和对比例组装的锂离子电池的性能测试结果
Figure BDA0002545623560000071
由以上实施例可知，本发明提供了一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料的制备方法，包括以下步骤：a)将质量比为7～9:2～3的V2O5和LiBO2混匀，升温至700～800℃，保温，淬火；180～220℃下保温8～10h，冷却后球磨，得到粒径D50小于10μm的粉体；b)将所述粉体和腐蚀剂以质量比为1：1.8～2.3混合，进行造孔，再和片状石墨烯分散液超声混合，得到前驱体；c)在0.015～0.025MPa的Ar氛围下，将所述前驱体200～400℃下退火，保温6～9h，得到V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。本发明提供的方法通过将片状石墨烯引入到V2O5-LiBO2中，作为强导电剂，采用腐蚀剂进行腐蚀造孔，再经过热处理和超声，使得片状石墨烯组装镶嵌填充在V2O5-LiBO2玻璃微粒中，制得一种“足球状”石墨烯-钒硼玻璃微粒复合材料，改善钒硼玻璃作为锂离子电池电极缺点，具有导电性高、可逆比容量高、电池循环稳定性强的性能优点。实验结果表明：V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃电阻率为1.3×103～8.9×104(Ω·m)；电池首次循环放电容量为403～424(mAh/g)，100个循环比放电容量为389～394(mAh/g)，保持率为92.6％～96.5％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将质量比为7～9:2～3的V2O5和LiBO2混匀，以升温速率为5～15℃/min升温至700～800℃，保温10～30min，淬火；180～220℃下保温8～10h，冷却后球磨，得到粒径D50小于10μm的粉体；
b)将所述粉体和腐蚀剂以质量比为1：1.8～2.3在搅拌下混合，进行造孔，再和片状石墨烯分散液超声混合，得到前驱体；
所述步骤b)中腐蚀剂选自氢氟酸水溶液、水、氢氧化钠溶液、氨水和醋酸溶液；所述氢氟酸水溶液的浓度为0.3～5mol/L；所述氢氧化钠溶液的浓度为1～10mol/L；氨水的浓度为2～15mol/L；醋酸溶液的浓度为5～20mol/L；所述步骤b)中片状石墨烯分散液的固含量为1～5％；造孔产物和所述片状石墨烯分散液的质量比为1：1～6；所述步骤b)中超声的温度为30～90℃；所述超声的时间为5～200min；搅拌的速度为200～3000rpm，搅拌的温度为30～50℃，搅拌的时间为3～120min；
c)在0.015～0.025MPa的Ar氛围下，将所述前驱体200～400℃下退火，保温6～9h，得到V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中超声混合结束后对产物进行干燥，所述干燥的温度为140～160℃；干燥的时间为2～26h。
3.一种V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料，由权利要求1～2任一项所述制备方法制得。
4.一种锂离子电池，由以下方法制得：
将V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料与粘结剂和溶剂混合，得到的浆料在铝箔上烘干，组装得到锂离子电池；
所述V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料为权利要求1～2任一项所述制备方法制得或权利要求3所述V2O5-LiBO2-石墨烯玻璃正极材料。
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