一種鋰電池正極材料LiV₃O₈的超聲水熱製備方法

2023-10-06 22:34:49 1

專利名稱：一種鋰電池正極材料LiV3O8的超聲水熱製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋰離子二次電池正極材料的製備方法，具體涉及一種以超聲波結合水熱工藝來製備鋰電池正極材料LiV3O8的方法。
背景技術：
鋰離子二次電池具有電壓高、比能量大、循環壽命長、放電性能穩定、安全性好、無汙染和工作溫度範圍寬等優點，因此，近年來得到了迅速的發展，並且具有廣闊的應用前景。作為鋰離子二次電池的關鍵技術之一，正極材料的研究開發是至關重要的，正極材料電化學性能的提高，將大大改善鋰離子電池的性能。
1957年，Wadsley提出層狀化合物LiV3O8可作為鋰離子蓄電池的正極材料。此後， Besenhard等研究發現，層狀化合物Li1+xV308不僅具有優良的嵌鋰能力，而且具有比容量高、循環壽命長等優點。理論上，Imol的Li1+xV308可以嵌入3mol以上的Li+，這使其具有較高的比容量，一般在300mAh/g以上，鋰的擴散係數在10_12 l(T14m7S之間，鋰離子在其中較高的化學擴散率使得鋰在嵌入和脫出時，正極材料具有很好的結構穩定型，從而具有更長的循環壽命。基於這些特點，Li1+xV308近年來得到了國內外學者的廣泛關注和研究，也成為近年來最具發展前景之一的鋰電池正極材料。
目前製備Li1+xV308鋰電池正極材料的方法主要有固相法[Kawakita J，Kato T， Katayama Y, et al. Lithium insertion behavior of Li1+xV308 with different degrees of crystallinity[J], J. Power Sources，1999，81 82 :448 453]、溶膠凝膠法[Li Liu, Lifang Jiao, Yanhui Zhang, Junli Sun, Lin Yang, et al. Synthesis of LiV3O8 by an improved citric acid assisted sol-gel method at low temperature[J]. Materials Chemistry and Physics, 2008, 111 565 ~ 569][Gang Yang, Guan Wang, and Wenhua Hou. Microwave Solid-State Synthesis of LiV3O8 as Cathode Material for Lithium Batteries [J]. J. Phys. Chem. B，2005，109 :11186 11196]、噴霧熱解法[S. H. Ju, Y. C. Kang. Morphological and electrochemical properties of LiV3O8 cathode powders prepared by spray pyrolysis[J]. Electrochimica Acta, 2010, 55 :6088 6092]、/K 熱法[Hai Yan Xu, Hao Wang, Zhi Qiang Song, et al. Novel chemical method for synthesis of LiV3O8 nanords as cathode materials for lithium ion batteries[J]. Electrochimica Acta，2004，49 :349 ；353]。這些方法要麼工藝周期長、要麼對實驗設備要求較高、所製備的材料粒徑較大且分布不均，性能相差較大。由於鋰電池正極材料的製備工藝對其材料的性能有著非常重要的影響，則尋找合適的方法和工藝，對鋰電池正極材料的研究和開發有著重大的意義。發明內容
本發明目的在於提供一種製備溫度低、粉體粒徑均勻，工藝操作簡單，且能夠獲得粒徑小且分布均勻的鋰電池正極材料LiV3O8的超聲水熱製備方法。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是1)按Li V=I 3的摩爾比將分析純的LiOH^H2O和NH4VO3溶於去離子水中， 配製成Li+濃度為0. 02 0. 15mol/L的A溶液；2)取與金屬離子物質量之和等量的DL-蘋果酸，並將其緩慢溶於磁力攪拌下的A 溶液中，得B溶液；3)將B溶液放置在水溫為50 80°C的超聲波發生器中，在攪拌下進行超聲波處理，超聲功率為400W 800W，超聲時間為1 3小時；4)超聲處理完後，冷卻至室溫，用氨水調節其pH值為4 8得到C溶液；5)將C溶液放置在60 120°C的電熱鼓風乾燥箱裡蒸乾水分得固體；6)將固體磨細後放在坩堝中，再置於馬弗爐中於300 500°C下熱處理6 10小時後隨爐冷卻得到最終產物。本發明採用超聲波結合水熱的方法，超聲波可以使物質分散的更均勻，促進化學反應的進行，用這種方法，可以製備缺陷少、化學成分均勻，粒徑小且分布均勻的LiV3O8微晶，此製備工藝簡單，對環境友好、後期處理溫度低、反應周期短。


圖1為本發明實施例3所製備LiV3O8正極材料的X-射線衍射(XRD)圖譜。圖2為本發明實施例3所製備LiV3O8正極材料的場發射掃描電鏡(FESEM)照片。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。實施例1:1)按Li V=I 3的摩爾比將分析純的LiOH ·Η20和NH4VO3溶於去離子水中， 配製成Li+濃度為0. 02mol/L的A溶液；2)取與金屬離子物質量之和等量的DL-蘋果酸，並將其緩慢溶於磁力攪拌下的A 溶液中，得B溶液；3)將B溶液放置在水溫為50°C的超聲波發生器中，在攪拌下進行超聲波處理，超聲功率為700W，超聲時間為1小時；4)超聲處理完後，冷卻至室溫，用氨水調節其pH值為5得到C溶液；5)將C溶液放置在60°C的電熱鼓風乾燥箱裡蒸乾水分得固體；6)將固體磨細後放在坩堝中，再置於馬弗爐中於400°C下熱處理8小時後隨爐冷卻得到最終產物。實施例2 1)按Li V=I 3的摩爾比將分析純的LiOH ·Η20和NH4VO3溶於去離子水中， 配製成Li+濃度為0. 10mol/L的A溶液；2)取與金屬離子物質量之和等量的DL-蘋果酸，並將其緩慢溶於磁力攪拌下的A 溶液中，得B溶液；3)將B溶液放置在水溫為60°C的超聲波發生器中，在攪拌下進行超聲波處理，超聲功率為600W，超聲時間為2小時；
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4)超聲處理完後，冷卻至室溫，用氨水調節其pH值為4得到C溶液；5)將C溶液放置在100°C的電熱鼓風乾燥箱裡蒸乾水分得固體；6)將固體磨細後放在坩堝中，再置於馬弗爐中於500°C下熱處理6小時後隨爐冷卻得到最終產物。實施例3:1)按Li V=I 3的摩爾比將分析純的LiOH ·Η20和NH4VO3溶於去離子水中， 配製成Li+濃度為0. 05mol/L的A溶液；2)取與金屬離子物質量之和等量的DL-蘋果酸，並將其緩慢溶於磁力攪拌下的A 溶液中，得B溶液；3)將B溶液放置在水溫為80°C的超聲波發生器中，在攪拌下進行超聲波處理，超聲功率為800W，超聲時間為3小時；4)超聲處理完後，冷卻至室溫，用氨水調節其pH值為6. 8得到C溶液；5)將C溶液放置在80°C的電熱鼓風乾燥箱裡蒸乾水分得固體；6)將固體磨細後放在坩堝中，再置於馬弗爐中於300°C下熱處理10小時後隨爐冷卻得到最終產物。將所得的粉體用日本理學D/maX2000PC X_射線衍射儀進行物相表徵(圖1)，其 XRD衍射圖譜與LiV3O8標準卡片完美對應，說明所得產物為純相的LiV3O8 ；將此產物用日本電子株式會(JEOL) JSM-6460型掃描電子顯微鏡進行觀察(圖2)，從圖片可得出所製備的 LiV3O8微晶形貌呈短棒狀，其顆粒尺寸約為100 300nm。實施例4 1)按Li V=I 3的摩爾比將分析純的LiOH ·Η20和NH4VO3溶於去離子水中， 配製成Li+濃度為0. 15mol/L的A溶液；2)取與金屬離子物質量之和等量的DL-蘋果酸，並將其緩慢溶於磁力攪拌下的A 溶液中，得B溶液；3)將B溶液放置在水溫為70°C的超聲波發生器中，在攪拌下進行超聲波處理，超聲功率為400W，超聲時間為3小時；4)超聲處理完後，冷卻至室溫，用氨水調節其pH值為7得到C溶液；5)將C溶液放置在120°C的電熱鼓風乾燥箱裡蒸乾水分得固體；6)將固體磨細後放在坩堝中，再置於馬弗爐中於350°C下熱處理9小時後隨爐冷卻得到最終產物。實施例5 1)按Li V=I 3的摩爾比將分析純的LiOH^H2O和NH4VO3溶於去離子水中， 配製成Li+濃度為0. 12mol/L的A溶液；2)取與金屬離子物質量之和等量的DL-蘋果酸，並將其緩慢溶於磁力攪拌下的A 溶液中，得B溶液；3)將B溶液放置在水溫為65°C的超聲波發生器中，在攪拌下進行超聲波處理，超聲功率為500W，超聲時間為2小時；4)超聲處理完後，冷卻至室溫，用氨水調節其pH值為8得到C溶液；5)將C溶液放置在90°C的電熱鼓風乾燥箱裡蒸乾水分得固體；
6)將固體磨細後放在坩堝中，再置於馬弗爐中於450°C下熱處理7小時後隨爐冷卻得到最終產物。
權利要求
1. 一種鋰電池正極材料LiV3O8的超聲水熱製備方法，其特徵在於1)按Li V=I 3的摩爾比將分析純的LiOH ·Η20和NH4VO3溶於去離子水中，配製成Li+濃度為0. 02 0. 15mol/L的A溶液；2)取與金屬離子物質量之和等量的DL-蘋果酸，並將其緩慢溶於磁力攪拌下的A溶液中，得B溶液；3)將B溶液放置在水溫為50 80°C的超聲波發生器中，在攪拌下進行超聲波處理，超聲功率為400W 800W，超聲時間為1 3小時；4)超聲處理完後，冷卻至室溫，用氨水調節其pH值為4 8得到C溶液；5)將C溶液放置在60 120°C的電熱鼓風乾燥箱裡蒸乾水分得固體；6)將固體磨細後放在坩堝中，再置於馬弗爐中於300 500°C下熱處理6 10小時後隨爐冷卻得到最終產物。
全文摘要
一種鋰電池正極材料LiV3O8的超聲水熱製備方法，將LiOH·H2O和NH4VO3溶於去離子水中得A溶液；磁力攪拌下向A溶液中加入DL-蘋果酸得B溶液；將B溶液放置在水溫為50～80℃的超聲波發生器中進行超聲波處理後，冷卻至室溫得到C溶液；將C溶液放置在乾燥蒸乾水分得固體；將固體磨細後放在坩堝中，置於馬弗爐中熱處理後隨爐冷卻得到最終產物。本發明採用超聲波結合水熱的方法，超聲波可以使物質分散的更均勻，促進化學反應的進行，用這種方法，可以製備缺陷少、化學成分均勻，粒徑小且分布均勻的LiV3O8微晶，此製備工藝簡單，對環境友好、後期處理溫度低、反應周期短。
文檔編號C01G31/00GK102509783SQ20111037595
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者劉佳, 張志清, 曹麗雲, 朱佳, 王敦強, 黃劍鋒, 齊慧 申請人:陝西科技大學