CN108899534B - 一种锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法，属于锂离子储能技术领域，该方法以商业氧化钒为前驱体，利用胺类和氧强烈的氢键作用***氧化钒层间，再在高温下利用快速升温工艺分解胺膨化前驱体氧化钒而得到。本发明的优点是制备工艺简单，成本低廉，制备的材料产率高，应用于锂离子电池电容正极材料中表现出了良好的电化学性能。该方法具有广泛的应用前景。

Description

一种锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子储能材料技术领域，特别涉及一种锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法。
背景技术
氧化钒是一种半导体氧化物材料，被广泛地使用在冶金化工能源催化等行业。氧化钒具有价格低廉储量丰富的特点，同时具有较高的比容量。氧化钒的层状结构和V5+到V3+的转变使得氧化钒有望作为一种理想的锂离子电池正极材料。当氧化钒用作锂离子电池的正极时，其主要的储能机制为锂离子的插层嵌入，当嵌入两个锂离子时，对应的理论容量高达294mAh g-1，考虑到目前最为常用的钴酸锂和磷酸铁锂仅140mAh g-1容量，氧化钒材料具有很大的优势。但由于充放电过程中部分嵌入的锂离子无法脱出导致了不可逆的反应发生，因而材料性能不稳定，性能会有所衰减。同时由于氧化钒是一种半导体，自身的电导率较低大约仅有0.01-0.001S cm-1,又因为锂离子在其中的扩散性能有限因而氧化钒的循环性能往往不佳。
需要关注的是，常用的锂离子电池正极材料由于锂离子入嵌与脱嵌缓慢的动力学过程，因而功率密度较差。而作为另一种广泛使用的电化学储能器件，电容器拥有较高的功率密度，但能量密度较差。通过对电池材料的电容化处理是获得同时具备高能量和高功率密度的有效途径之一。研究发现当电池型材料纳米化或层间距增大后会表现出明显的电容化行为，众多的研究着重于自下而上的生长方法，通过控制生长过程获得具有纳米尺度的材料，往往材料的收率不高，规模化较难实现。因而探究一种自上而下的处理工艺对实现规模化材料的制备将大有裨益。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法，利用氧化钒特有的层状结构，插层***易挥发性前驱体，再通过后续步骤利用快速受热完成剥离的方法进行制备，其工艺简单、快速，成本低廉，十分适用于规模化生产。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法，在液相体系中利用胺类材料对原材料氧化钒进行插层处理后，再快速高温热膨胀处理，使得胺类材料急剧分解，即得。所得氧化钒材料表现电容式的电化学特性，其电化学容量≥200mAh g-1。
所述原材料氧化钒为商业氧化钒，无任何特异性，价格低廉，容易获取。
所述液相体系为水或液体醇或液态烷烃。
所述胺类材料为含有氨基的有机物质，其和氧化钒的质量比为(0-2)：1。
所述插层处理工艺为直接搅拌法超声法或水热法，反应时间为0.5-100小时。
所述快速高温热膨胀处理的温度在400-1000℃，时间为1-100秒之间，处理气氛为空气或氩气。
本发明制备工艺主要包括了搅拌插层和快速热膨胀工艺过程，其工艺快速简单，可以规模化制备氧化钒锂离子正极材料，在半电池应用中表现出了良好的电化学活性。这种方法有望对氧化钒的其他功能化应用发挥作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该方法可以规模化地实现氧化钒的插层效果，高温快速膨胀的工艺极大地缩短了材料的制备时间和降低了赝电容体系材料的制备难度。所获得的材料相较于原始氧化钒呈现出明显的电容行为。
附图说明
图1是插层热膨胀氧化钒锂离子电池正极首圈充放电曲线图。
图2是商业氧化钒和实施例3中获得氧化钒在100mA g-1的电流密度下电化学性能示意图。
图3是商业氧化钒和实施例3中获得氧化钒在1000mA g-1的电流密度下电化学性能示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例1：
将5g商业氧化钒原料分散于120mL乙醇中搅拌分散均匀。再向其中加入1g插层剂三聚氰胺，采用超声搅拌工艺搅拌12h后将所获得的悬浊液抽滤烘干待用。
首先将马弗炉升温至600℃高温，在空气气氛中首先将坩埚加热至炉温，然后迅速加入上述步骤中的烘干的样品，并置于炉中保温40s，取出坩埚待其冷却至室温后，收集待后续表征测试及应用。将快速膨胀获得的氧化钒正极材料，导电炭黑和粘接剂PVDF按照质量比80：10：10均匀混合均匀，加入有机溶剂NMP得到正极浆料。将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到锂离子电容器正极片，与锂片组成锂离子半电池，以1mol/L浓度的LiPF6(EC:DEC＝1：1)为有机电解液，组装成2032型扣式电池，在100mAg-1的电流密度下容量为209mAh g-1。
实施例2：
将5g商业氧化钒原料分散于120mL乙醇中搅拌分散均匀。再向其中加入2g插层剂三聚氰胺，采用超声搅拌工艺搅拌12h后将所获得的悬浊液抽滤烘干待用。
首先将马弗炉升温至800℃高温，在空气气氛中首先将坩埚加热至炉温，然后迅速加入上述步骤中的烘干的样品，并置于炉中保温20s，取出坩埚待其冷却至室温后，收集待后续表征测试及应用。将快速膨胀获得的氧化钒正极材料，导电炭黑和粘接剂PVDF按照质量比80：10：10均匀混合均匀，加入有机溶剂NMP得到正极浆料。将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到锂离子电容器正极片，与锂片组成锂离子半电池，以1mol/L浓度的LiPF6(EC:DEC＝1：1)为有机电解液，组装成2032型扣式电池，在100mAg-1的电流密度下容量为200mAh g-1。
实施例3：
将2g商业氧化钒原料分散于80mL乙醇中搅拌分散均匀。再向其中加入1g插层剂三聚氰胺后混合均匀成悬浊液，将该悬浊液装入100mL的水热反应釜中密封并在180℃反应4小时，待反应釜冷却后将沉淀物过滤分离烘干后待用。
首先将马弗炉升温至800℃高温，在空气气氛中首先将坩埚加热至炉温，然后迅速加入上述步骤中的烘干的样品，并置于炉中保温20s，取出坩埚待其冷却至室温后，收集待后续表征测试及应用。将快速膨胀获得的氧化钒正极材料，导电炭黑和粘接剂PVDF按照质量比80：10：10均匀混合均匀，加入有机溶剂NMP得到正极浆料。将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到锂离子电容器正极片，与锂片组成锂离子半电池，以1mol/L浓度的LiPF6(EC:DEC＝1：1)为有机电解液，组装成2032型扣式电池，在100mAg-1的电流密度下容量为210mAh g-1。
实施例4：
将2g商业氧化钒原料分散于100mL正己烷中搅拌分散均匀。再向其中加入20mL液态插层剂正辛胺混合均匀成悬浊液，将该悬浊液搅拌2小时左右后抽滤烘干待用。
首先将马弗炉升温至800℃高温，在空气气氛中首先将坩埚加热至炉温，然后迅速加入上述步骤中的烘干的样品，并置于炉中保温20s，取出坩埚待其冷却至室温后，收集待后续表征测试及应用。将快速膨胀获得的氧化钒正极材料，导电炭黑和粘接剂PVDF按照质量比80：10：10均匀混合均匀，加入有机溶剂NMP得到正极浆料。将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到锂离子电容器正极片，与锂片组成锂离子半电池，以1mol/L浓度的LiPF6(EC:DEC＝1：1)为有机电解液，组装成2032型扣式电池，在100mA g-1的电流密度下容量为205mAh g-1。
实施例5：
将3g商业氧化钒原料分散于120mL蒸馏水中搅拌分散均匀。再向其中加入1g插层剂三聚氰胺，采用超声搅拌工艺搅拌12h后将所获得的悬浊液抽滤烘干待用。
首先将马弗炉升温至600℃高温，在空气气氛中首先将坩埚加热至炉温，然后迅速加入上述步骤中的烘干的样品，并置于炉中保温20s，取出坩埚待其冷却至室温后，收集待后续表征测试及应用。将快速膨胀获得的氧化钒正极材料，导电炭黑和粘接剂PVDF按照质量比80：10：10均匀混合均匀，加入有机溶剂NMP得到正极浆料。将正极浆料涂覆于铝箔上，经干燥、轧膜及冲片处理后，得到锂离子电容器正极片，与锂片组成锂离子半电池，以1mol/L浓度的LiPF6(EC:DEC＝1：1)为有机电解液，组装成2032型扣式电池。如附图1所示，在100mA g-1的电流密度下其第一圈的容量为292mAh g-1，首效达到了91.31％，并且表现了明显的电容性质。如图2和图3所示，和商业氧化钒对比在100mAg-1和1000mA g-1电流密度下，实例3的样品均表现出了更加优异的性能，在100mA g-1下，其容量为281mAh g-1；在1000mAg-1下，其容量为182mAh g-1并且表现电容行为。

Claims (4)

1.一种锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法，其特征在于，在液相体系中利用胺类材料对原材料氧化钒进行插层处理***易挥发性前驱体后，再快速高温热膨胀处理，使得胺类材料急剧分解即得，所述快速高温热膨胀处理的温度在400-1000℃，时间为1-100秒之间，处理气氛为空气或氩气，所述液相体系为水或液体醇或液态烷烃，所述插层处理工艺为直接搅拌法超声法或水热法，反应时间为0.5-100小时。
2.根据权利要求1所述锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法，其特征在于，所述原材料氧化钒为商业氧化钒。
3.根据权利要求1所述锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法，其特征在于，所得氧化钒材料表现电容式的电化学特性，其电化学容量≥200mAh g-1。
4.根据权利要求1所述锂离子电池电容正极材料氧化钒的制备方法，其特征在于，所述胺类材料为含有氨基的有机物质，其和氧化钒的质量比为(0-2)：1。
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