一种球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法技术

一种球形锂离子电池负极极材料硼酸钒的制备方法，包括以下步骤：（1）将钒源、硼源、还原剂按照钒元素、硼元素和还原剂的摩尔比为1:1:2-4的比例溶于去离子水中，得混合液；（2）将所得混合液置于60-90℃恒温水浴锅中搅拌4-8h，形成溶液；（3）将所得溶液调节pH值至6-9；（4）通过喷雾干燥的方法进行造粒得到硼酸钒前驱体；（5）将所得硼酸钒前驱体置于管式烧结炉中，在非还原性气氛下于500-800℃烧结8-20h。本发明专利技术所制备的球形锂离子电池负极极材料硼酸钒，由于其独特的晶体结构和微观形貌具有较高的比容量，良好的倍率性能以及优异的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法
本专利技术涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体涉及一种球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法。
技术介绍
锂离子动力电池在全球电动汽车产业发展中占有绝对优势，其主导地位在未来数十年内不可撼动。随着社会的不断发展，开发具有高能量密度动力电池显得尤为必要。低成本、长寿命与高安全性作为动力电池的核心要素，与电极材料密切相关。负极材料作为决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素，其研究一直是该领域的热点。目前，商业化石墨负极材料由于其理论容量低(约372mAh/g)、安全性能差等缺点，难以满足动力电池的使用要求，因此，探索其他可替代材料显得尤为必要。硼酸钒(VBO3)与石墨、金属氧化物、合金等类似，也可以提供锂离子嵌入的活性位点，具有脱嵌锂的功能。从结构上来说，BO33-聚阴离子可以提供稳定结构框架，增强材料的安全性能，且由于硼电负性低而原子量轻，硼酸根(BO33-)比磷酸根(PO43-)的摩尔质量小很多，而且结构稳定性高电压平台可控，能够同时提供锂离子导电和电子导电，相比磷酸盐负极材料具有更高的理论容量。钒具有活泼的化学性质(V到V5+)，VBO3在充放电过程中化合价可以从+3到0之间变化。因此，VBO3具有较高的理论比容量(731mAh/g)。此外，我国钒资源丰富，原材料来源广泛，成本低廉。综上所述，VBO3是一个具有很大潜在价值的锂离子电池负极材料。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有负极材料的不足，提供一种容量高，结构稳定，安全性能好的球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法，包括以下步骤：(1)将钒源、硼源、还原剂按照钒元素、硼元素和还原剂的摩尔比为1:1:2-4的比例溶于去离子水中，控制金属钒离子的浓度为0.05-1.00mol·L-1(优选0.08-0.80mol·L-1，进一步优选0.1-0.5mol·L-1，更优选0.2-0.4mol·L-1)，得混合液；(2)将步骤(1)所得的混合液置于60-90℃恒温水浴锅中搅拌4-8h，形成溶液；(3)将步骤(2)所得的溶液调节pH值至6-9；(4)将经步骤(3)处理的溶液通过喷雾干燥的方法进行干燥造粒，得到硼酸钒(VBO3)前驱体；(5)将步骤(4)所得的硼酸钒(VBO3)前驱体置于管式烧结炉中，在非还原性气氛下于500-800℃烧结8-20h，冷却至室温，即得球形锂离子电池负极材料硼酸钒(VBO3)。进一步，步骤(1)中，所述钒源为五氧化二钒、偏钒酸铵、钒酸铵、乙酰丙酮氧钒、草酸氧钒中的一种。进一步，步骤(1)中，所述硼源为硼酸、三氧化二硼、硼酸铵中的一种。进一步，步骤(1)中，所述还原剂为酒石酸、柠檬酸、草酸、乙二酸、己二酸、丙二酸、抗坏血酸中的一种。进一步，步骤(4)中，所述喷雾干燥进风口温度为180-260℃，喷雾干燥蠕动泵转速为1000-1800转/分钟，喷雾干燥风机功率为60-100Hz。进一步，步骤(5)中，所述非还原性气氛为氩气、氮气或氦气。本专利技术制备得到的负极材料硼酸钒经过喷雾干燥器的高温高压，瞬间成核和后续旋风收集产品能够形成形貌均匀的球形前驱体，在后续的非还原性气氛中烧结得到球形硼酸钒负极材料，由于该球形硼酸钒具有稳定的框架结构、活泼的活性金属元素V和较低的电压平台，作为锂离子电池负极材料时表现出优异的电化学性能；此外，球形形貌能够提高其振实密度，减少活性材料与集流体之间的表面活化能，增强材料与集流体铝箔的粘结，有利于加工。附图说明图1为本专利技术实施例1所得球形锂离子电池负极材料硼酸钒的SEM衍射图；图2为使用实施例1所得球形锂离子电池负极材料硼酸钒所组装电池在0.1C、0.5C、1C、2C倍率下的首次充放电曲线。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1本实施例包括以下步骤：(1)称取五氧化二钒0.0125mol，硼酸0.025mol，草酸0.05mol，将其混合，溶解于250mL的去离子水中，得混合液；(2)将步骤(1)所得的混合液置于60℃恒温水浴锅中搅拌8h，形成溶液；(3)将步骤(2)所得的溶液调节pH值至7；(4)将经步骤(3)处理的溶液通过喷雾干燥的方法进行干燥造粒，喷雾干燥进风口温度为260℃，蠕动泵转速为1000转/分钟，风机功率为60Hz，得到硼酸钒(VBO3)前驱体；(5)将步骤(4)所得的硼酸钒(VBO3)前驱体置于管式烧结炉中，在氩气气氛下于700℃烧结8h，然后自然冷却至室温，即得球形锂离子电池负极材料硼酸钒(VBO3)。电池的组装：称取0.24g本实施例所制得的球形锂离子电池负极材料硼酸钒，加入0.03gSuper-P作导电剂和0.03gPVDF(HSV-900)作粘结剂，充分研磨后加入NMP2mL分散混合，调浆至均匀后于16μm厚的铜箔上拉浆制作成负极片，在厌氧手套箱中以金属锂片为正极，以Celgard2300为隔膜，1mol/LLiPF6/EC∶DMC∶EMC(体积比1∶1∶1)为电解液，组装成CR2025的扣式电池，将电池在0.01V～1.5V电压范围内测其充放电容量、倍率性能和循环性能。其中在0.1C、0.5C、1C、2C倍率下首次放电比容量依次为683mAh/g、268.3mAh/g、219.2mAh/g、184mAh/g，在0.1C倍率下循环100次后其放电比容量为465.7mAh/g。本实施例所得球形锂离子电池负极材料硼酸钒的SEM衍射图如图1所示；使用本实施例制备的球形锂离子电池负极材料硼酸钒所组装的电池的0.1C、0.5C、1C、2C倍率下的首次充放电曲线如图2所示。实施例2本实施例包括以下步骤：(1)称取偏钒酸铵0.01mol，三氧化二硼0.005mol，柠檬酸0.04mol，将其混合，溶解于200mL的去离子水中，得混合液；(2)将步骤(1)所得的混合液置于90℃恒温水浴锅中搅拌4h，形成均一溶液；(3)将步骤(2)所得的溶液调节pH值至6；(4)将经步骤(3)处理的溶液通过喷雾干燥的方法进行干燥造粒，喷雾干燥进风口温度为180℃，蠕动泵转速为1800转/分钟，风机功率为80Hz，得到硼酸钒(VBO3)前驱体；(5)将步骤(4)所得的硼酸钒(VBO3)前驱体置于管式烧结炉中，在氩气气氛下于800℃烧结8h，然后自然冷却至室温，即得球形锂离子电池负极材料硼酸钒(VBO3)。电池的组装：称取0.24g本实施例所制得的球形锂离子电池负极材料硼酸钒，加入0.03gSuper-P作导电剂和0.03gPVDF(HSV-900)作粘结剂，充分研磨后加入NMP2mL分散混合，调浆至均匀后于16μm厚的铜箔上拉浆制作成负极片，在厌氧手套箱中以金属锂片为正极，以Celgard2300为隔膜，1mol/LLiPF6/EC∶DMC∶EMC(体积比1∶1∶1)为电解液，组装成CR2025的扣式电池，将电池在0.01V～1.5V电压范围内测其充放电容量、倍率性能和循环性能。其中在0.1C、0.5C、1C、2C倍率下首次放电比容量依次为883mAh/g、468.3mAh/g、388.2mAh/g、284mAh/g，在0.1C倍率下循环100次后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将钒源、硼源、还原剂按照钒元素、硼元素和还原剂的摩尔比为1:1:2‑4的比例溶于去离子水中，控制金属钒离子的浓度为0.05‑1.00mol·L‑1，得混合液；（2）将步骤（1）所得的混合液置于60‑90℃恒温水浴锅中搅拌4‑8h，形成溶液；（3）将步骤（2）所得的溶液调节pH值至6‑9；（4）将经步骤（3）处理的溶液通过喷雾干燥的方法进行干燥造粒，得硼酸钒前驱体；（5）将步骤（4）所得的硼酸钒前驱体置于管式烧结炉中，在非还原性气氛下于500‑800℃烧结8‑20h，冷却到室温，即得球形锂离子电池负极材料硼酸钒。

【技术特征摘要】
1.一种球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将钒源、硼源、还原剂按照钒元素、硼元素和还原剂的摩尔比为1:1:2-4的比例溶于去离子水中，控制金属钒离子的浓度为0.05-1.00mol·L-1，得混合液；（2）将步骤（1）所得的混合液置于60-90℃恒温水浴锅中搅拌4-8h，形成溶液；（3）将步骤（2）所得的溶液调节pH值至6-9；（4）将经步骤（3）处理的溶液通过喷雾干燥的方法进行干燥造粒，得硼酸钒前驱体；（5）将步骤（4）所得的硼酸钒前驱体置于管式烧结炉中，在非还原性气氛下于500-800℃烧结8-20h，冷却到室温，即得球形锂离子电池负极材料硼酸钒。2.根据权利要求1所述的球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，控制金属钒离子的浓度为0.08-0.80mol·L-1。3.根据权利要求2所述的球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法，其特征在于，控制金属钒离子的浓度为0.1-0.5mol·L-1。4.根据权利要求3所述的球形锂离子电池负极材料硼酸钒的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宝，朱玉时，郑俊超，韩亚东，孙楠，周其杰，童汇，田业成，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43