一种半球状阵列Li3VO4/C锂离子电池负极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种半球状阵列Li3VO4/C锂离子电池负极材料的制备方法。取聚乙烯醇、硝酸锂、偏钒酸铵、草酸加入适量去离子水中搅拌均匀得到绿色溶液A，为构建微型反应环境，直接量取适量乙二醇，分别装入注射器中进行双针头混合静电喷雾，收集在具有2

【技术实现步骤摘要】
一种半球状阵列Li3VO4/C锂离子电池负极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种新型锂离子电池负极材料，特别是一种静电喷雾制备半球状阵列Li3VO4/C复合材料作为锂离子电池负极材料的方法，属于电化学能源领域。

技术介绍

[0002]受全球气候变暖，不可再生的化石能源不断消耗等因素影响，全球能源消费结构正向低碳化转型，发展可再生能源已成为全球能源转型的主流方向。而锂离子电池因其具有环境负荷小、性能较其他电池优越、可重复使用等优点在通讯设施、电动工具以及能源储存等方面有着广泛的应用。相应的人们对于锂离子电池的性能也提出了越来越高的要求，高能量密度、高稳定性、低成本的锂离子电池材料是当前研究的重点。
[0003]传统所使用的锂离子电池材料中存在着许多问题，比如碳纳米管存在不可逆容量高、电压滞后及放电平台不明显等问题，硅基负极材料是作为锂离子电池理想的负极材料，但是硅电极体积膨胀可达300%，严重影响硅负极材料的循环性能，因此我们选用了一种新型锂离子电池负极材料：Li3VO4，它具有较高的体积比容量和较低的电压平台等优点。但是Li3VO4负极材料的电子电导率和离子电导率相对较低，这可能导致充电/放电过程中极化较大，使电化学反应动力不佳，在大倍率下电池的循环性能较差，因此，需要增强Li3VO4材料的导电性以提升整体性能。
[0004]基于以上背景，本专利开发了一种基于静电喷雾制备半球状Li3VO4/C复合材料的方法。所制备的材料主体为半球状碳相互连接，碳壳表面生长有大量的超小纳米片。所制备的Li3VO4/C复合材料整体结构具有良好的机械性能，承受力强，能够有效抑制充放电过程中体积膨胀引起的结构坍塌，局部超小纳米片能够给予电解液渗透高效途径，碳均匀复合可以显著提升材料导电性。所制备的半球状Li3VO4/C复合材料作为锂离子电池负极表现出优异电化学性能，具有较大的潜在应用价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出了一种半球状阵列Li3VO4/C锂离子电池负极材料的制备方法。所制备的半球状Li3VO4/C复合材料是利用简易的双针头静电喷雾合成的，且首次利用乙二醇构建微乳液反应环境，利用微乳液和静电喷雾结合，解决了静电喷雾形貌调控难的问题。半球之间的相互连接为锂离子扩散形成了互连的通路，同时该半球结构有利于电解液的接触与渗透，该材料作为锂离子电池负极具有优异的综合电化学性能，在锂离子电池中具有潜在应用价值。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案为：一种半球状阵列Li3VO4/C锂离子电池负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：（1）取聚乙烯醇、硝酸锂、偏钒酸铵、草酸加入适量去离子水中搅拌均匀得到混合溶液；
（2）将步骤（1）的混合溶液、乙二醇分别转移至静电喷雾注射器中，分别进行静电喷雾，得到前体复合雾化膜；（3）将步骤（2）中所得前体复合雾化膜经蒸汽交联后得到的产品置于氮气环境中，升温至200
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300℃下预烧2
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5小时，然后升温至500
‑
800℃煅烧3
‑
6小时得到半球状阵列Li3VO4/C复合材料。
[0007]优选地，步骤（1）中的混合溶液中硝酸锂、草酸、偏钒酸铵的摩尔比为（3
‑
4）:（5
‑
6）:（1
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1.3），聚乙烯醇的质量分数为4
‑
6%。
[0008]步骤（2）乙二醇的含量高于99.5%。
[0009]优选地，步骤（2）中喷雾条件为：电压18
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20 kV，时间6
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8小时，温度40
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60℃，湿度20
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30%，纺丝针头离滚筒的距离为20
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30 cm。
[0010]优选地，步骤（2）为双针头混合静电喷雾，且双针头间距离为7
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8 cm。
[0011]优选地，步骤（3）中，蒸汽交联的温度为60
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80℃，进行蒸汽交联反应为10
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12小时。
[0012]优选地，步骤（3）中预烧温度为200
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300℃，升温速度为5
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10℃/min，预烧时间为2
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5小时，再以3
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12℃/min的升温速度，在氮气气氛中500
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800℃煅烧3
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6小时。
[0013]本专利技术通过聚合物溶液在强电场中雾化形成带电雾滴，首次利用双针头混合静电喷雾得到半球状Li3VO4/C电极材料，半球状碳基体上嵌入大量超小纳米片层，使锂离子扩散得到了明显增强。
[0014]其原理在于：（1）多元醇和水的混合体系微乳液是制备尺寸可控的纳米材料的一种重要的微型反应器。乙二醇可以形成不同于水的氢键网络，同时具有高内聚能和较低的介电常数，具有较好的导电性；（2）水基高聚物聚乙烯醇（PVA）具有很好的粘合性，剧烈搅拌下形成了含有锂源、钒源、PVA、草酸和水分子混合均匀的前驱体溶液；（3）由于静电喷雾的雾化效应，溶液A形成雾滴，乙二醇在静电作用下包覆在水没有完全挥发的雾滴上，最终被收集在旋转的铝箔上形成雾化膜；（4）雾化膜在静电作用下，发生颗粒自组装，同时，在微型反应器中整齐排列生长；（5）PVA分子和草酸分子在加热中交联伴随着H2O的释放，水蒸气从前体颗粒中逸出将在颗粒顶部产生孔隙，在这个过程中，由于前体颗粒中的张力，空心半球逐渐形成。同时各种相邻的空心半球之间整齐排列形成空心半球阵列；（6）半球之间的相互连接为锂离子扩散形成了互连的通路，同时该半球结构有利于电解液的接触与渗透，使该材料作为锂离子电池负极具有优异的综合电化学性能。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）新型微乳液法结合双针头静电喷雾，方法简单易行，制作成本低廉，对环境友好；（2）合成工艺简单，无需高温高压环境，形貌可控，性能优异。
[0016]（3）所制备的复合材料，具有半球相互连接构成的互连互通结构，具有结构承受力强，性能稳定的特点，能够承受充放电带来的体积膨胀，球形结构有利于电解液的接触与渗透，具有高容量和优异的循环稳定性。
附图说明
[0017]图1 实施例1喷雾完成后所制备样品前驱体的光学照片：（a）喷雾后，（b）干燥后，（c）烧结后。
[0018]图2 实施例1所制备样品的XRD图。
[0019]图3 实施例1所制备样品的SEM图。
[0020]图4 实施例1所制备样品的前三圈充、放电曲线和循环性能图：（a）前三圈充、放电曲线，（b）循环性能图。
[0021]图5 实施例2所制备样品干燥后的光学照片。
[0022]图6 实施例2所制备样品的SEM图。
[0023]图7 实施例2所制备样品的前三圈充、放电曲线和循环性能图：（a）前三圈充、放电曲线，（b）循环性能图。
[0024]图8 实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半球状阵列Li3VO4/C锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）取聚乙烯醇、硝酸锂、偏钒酸铵、草酸加入适量去离子水中搅拌均匀得到混合溶液；（2）将步骤（1）的混合溶液、乙二醇分别转移至静电喷雾注射器中，分别进行静电喷雾，得到前体复合雾化膜；（3）将步骤（2）中所得前体复合雾化膜经蒸汽交联后得到的产品置于氮气环境中，煅烧得到半球状阵列Li3VO4/C复合材料。2.根据权利要求1所述的半球状阵列Li3VO4/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的混合溶液中硝酸锂、草酸、偏钒酸铵的摩尔比为（3
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4）:（5
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6）:（1
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1.3），聚乙烯醇的质量分数为4
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6%。3.根据权利要求1所述的半球状阵列Li3VO4/C锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）乙二醇的含量高于99.5%。4.根据权利要求1所述的半球状阵列Li3VO4/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪世兵，匡玲玲，李道波，张冬梅，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：