專利名稱：一種用于鋰離子電池的高容量V₂O₅薄膜正極材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電極材料領域，特別涉及一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料。
背景技術：
鋰離子電池是上世紀在鋰電池基礎上發(fā)展起來的新型蓄電池，具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，目前已廣泛應用于各種日常小型便攜電源，作為電源更新換代產品，在將來有可能應用于大功率電器領域。近年來，隨著聞性能負極體系的出現，電解質的研究也取得了很大進展。相對而言，鋰離子電池正極材料研究較為滯后，限制了鋰離子電池整體性能的進一步提高。目前研究比較多的正極材料主要有層狀結構的LiMO2(其中:M=N1、Co、Mn等)，還包含多元體系的混合，但其比容量低和循環(huán)性等問題還有待解決。尖晶石型LiMn2O4具有安全性能好，易合成等優(yōu)點也是目前研究較多的鋰離子電池正極材料，但在充放電過程中存在John-Teller效應，結構發(fā)生畸變，降低了尖晶石結構的對稱性，導致循環(huán)性能變差。橄欖石晶體結構的LiMPO4 (其中:M= Fe、Mn、N1、Co等)具有熱穩(wěn)定性好、安全性能高等優(yōu)點，且在充電狀態(tài)的穩(wěn)定性超過了層狀結構的過渡金屬氧化物，使其特別適用于動力電池材料，但卻存在著因電導率低而引起的不可逆容量問題，改善的方法一方面是:通過改變合成方法來制備顆粒細、純度高的粉體材料；另一方面通過摻雜金屬粉末或金屬離子來提高其電導率，增加可逆容量。三斜晶系的V2O5,以VO4四方錐單元通過氧橋結合為鏈狀，鏈與鏈之間再通過另一氧橋連接形成一條復鏈，從而構成平行于
平面的層狀排列，非常適合鋰離子的脫嵌，但在實際應用中仍存在離子傳輸速率低、電導率低、充放電循環(huán)性能差、比容量和能量密度低等問題，限制了其在鋰離子電池領域的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術的不足，解決鋰離子電池容量小，比容量衰減嚴重的問題，而提供一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料。本發(fā)明所涉及的是一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料，其特征是該材料通過以下方法制備:(I)制備五氧化二釩溶膠:取3mL 30%的雙氧水(H2O2)溶液置于25 mL的燒杯中，然后將精確稱量的0.146 g五氧化二釩(V2O5)粉末放入燒杯中，在室溫下充分緩慢攪拌使V2O5粉末完全溶解，然后加入2 mL去離子水繼續(xù)攪拌至形成穩(wěn)定的紅棕色溶膠；(2)配制不同濃度的溶膠:將上述V2O5溶膠分別定容到50mL-400ml，得到濃度范圍為:0.002 mol/L至0.016 mol/L的V2O5溶膠；(3)預處理Pt基底:將待處理的Pt片完全浸沒在雙氧水中，浸泡10分鐘，然后用去離子水沖洗干凈，自然風干；(4)制備V2O5薄膜電極:用移液器量取IOPL的所需濃度的V2O5溶膠，鋪展在經過預處理的Pt片上，于室溫下自然風干后，置于500°C的馬弗爐中煅燒2小時，自然冷卻至室溫，即得到V2O5薄膜電極。通過本方法制備的V2O5電極材料形貌特殊，具有兩個穩(wěn)定的充放電平臺，表現出高的嵌鋰容量和良好的循環(huán)性能，具有廣闊的應用前景。且該法在電極的制作過程中不涉及導電劑、粘接劑的使用，電極材料直接鋪展在電極基底一步完成，制作工藝簡單，操作簡便，過程易控制，環(huán)保。本發(fā)明制備的V2O5薄膜電極材料，采用三電極體系，以I mol/L的LiC104/PC為電解液，V2O5薄膜電極為工作電極，Pt片為輔助電極，Ag/AgCl為參比電極，通過循環(huán)伏安和恒電流充放電測試表明，這種V2O5薄膜有兩個明顯的充放電平臺，循環(huán)性能好，在充放電電流密度為400mA/g時，其初始放電比容量可達714mAh/g，而目前現有文獻報道的鋰離子電池用V2O5正極材料，放電比容量僅為 377mAh/g，因而，與現有鋰離子電池用V2O5正極材料相t匕，本發(fā)明提供的V2O5薄膜正極材料，能夠有效解決鋰離子電池比容量低的問題，顯著提高了 V2O5作為鋰離子電池正極材料的應用價值。


圖1為溶膠濃度為0.008mol/L的V2O5薄膜正極材料的SEM ；
圖2為溶膠濃度為0.008mol/L的V2O5薄膜正極材料在掃描速率為0.01V/s時的循環(huán)伏安曲線；
圖3為溶膠濃度為0.008mol/L的V2O5薄膜正極材料在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線；
圖4為溶膠濃度為0.008mol/L的V2O5薄膜正極材料在不同電流密度下的充放電曲線；圖5為溶膠濃度為0.008mol/L的V2O5薄膜正極材料在不同電流密度下的放電容量衰減曲線；
圖6為數個溶膠濃度為0.008mol/L的V2O5薄膜正極材料的初始充放電容量對比；
圖7為溶膠濃度為0.016mol/L的V2O5薄膜在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線；
圖8為溶膠濃度為0.0054mol/L的V2O5薄膜在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線；
圖9為溶膠濃度為0.004mol/L的V2O5薄膜在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線；
圖10為溶膠濃度為0.0032mol/L的V2O5薄膜在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線；
圖11為溶膠濃度為0.002mol/L的V2O5薄膜在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明如下:
實施例1
一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料的制備方法如下:
(I)制備五氧化二釩溶膠:取3mL 30%的雙氧水(H2O2)溶液置于25 mL的燒杯中，然后將精確稱量的0.146 g五氧化二釩(V2O5)粉末放入燒杯中，在室溫下充分緩慢攪拌使V2O5粉末完全溶解，然后加入2 mL去離子水繼續(xù)攪拌至形成穩(wěn)定的紅棕色溶膠；
(2)配制濃度為0.008mol/L的V2O5溶膠:將上述V2O5溶膠定容到100ml，得到濃度為
0.008 mol/L 的 V2O5 溶膠；
(3)預處理Pt基底:將待處理的Pt片完全浸沒在雙氧水中，浸泡10分鐘,然后用去離子水沖洗干凈，自然風干；
(4)制備V2O5薄膜電極:用移液器量取IOPL的所需濃度的V2O5溶膠，鋪展在經過預處理的Pt片上，于室溫下自然風干后，置于500°C的馬弗爐中煅燒2小時，自然冷卻至室溫，即得到V2O5薄膜電極。采用三電極體系測試，V2O5薄膜電極為工作電極，Ag/AgCl作為參比電極，做過預處理的Pt片作為對電極，進行循環(huán)伏安和恒電流充放電測試。本實施例所制備的V2O5薄膜電極的電子掃描圖(SEM)如圖1所示，從圖中可以看出，V2O5薄膜是由呈片狀結構的顆粒構成，且具有均勻和致密性好的特征。本實施例所制備的V2O5薄膜電極的循環(huán)伏安曲線，如圖2所示，掃描電壓范圍為-0.2疒0.6V vs.Ag/AgCl，掃速為0.0lV/s。從圖中可以看出，在V2O5薄膜的循環(huán)伏安曲線上有兩對明顯的氧化還原峰，說明Li+離子在V2O5薄膜電極上的嵌脫過程分兩步進行，且不存在不可逆相變，有利于提高鋰離子電池的性能。V2O5薄膜在電壓為0.14V和0.34V處各出現一個氧化峰，對應著Li+離子在V2O5薄膜電極上的脫出過程；在-0.04V和0.19V處各出現一個還原峰，對應著Li+離子在V2O5薄膜電極上的嵌入過程，且第一對氧化/還原峰的電位差相差0.18V，第二對氧化/還原峰的電位差相差0.15V，說明V2O5薄膜電極材料具有良好的可逆性。本實施例制備的V2O5薄膜電極的恒`電流充放電容量曲線，如圖3所示，充放電電流為5.84*10_6A(質量電流密度:400mA/g)，充放電電壓范圍為-0.Γθ.5V vs.Ag/AgCl，從圖上可以看出，在充放電曲線上，存在兩個平穩(wěn)的放電電壓平臺，曲線飽滿，快到放電終止電壓時，曲線下降趨勢才突然增大，這說明該材料具有良好的放電性能。本實施例制備的V2O5薄膜電極的不同電流密度下的充放電曲線如圖4所示，從圖中可以看出，電流密度為400mA/g時，放電電壓平臺最平穩(wěn)，放電容量最大，且隨著充放電電流密度的增大，V2O5薄膜電極的放電容量有所下降，但變化不大，說明該材料能在大電流密度下充放電。本實施例制備的V2O5薄膜電極在不同電流密度下的放電容量衰減曲線如圖5所示，從圖中可以看出，隨著放電電流密度的增大，V2O5薄膜電極的放電容量衰減率變化不大，經過10次循環(huán)之后，衰減率分別為14.49%，15.07%, 22.81%，25.47%，相差不大，由此可知，該V2O5薄膜電極隨著電流密度的增大，仍具有良好的循環(huán)性能。圖6為在相同條件下，數個濃度為0.008mol/L的V2O5薄膜樣品的初始充放電容量對比，充放電電流密度均為400mA/g，平均初始放電容量為:703.56mAh/g，從圖中可以看出該材料性能的穩(wěn)定性和重現性都較好。實施例2
一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料的制備方法具體步驟，同實施例1，其
中:
第(2)步中，本實施例為配制濃度為0.016mol/L的V2O5溶膠:將上述V2O5溶膠定容到50ml，得到濃度為0.016 mol/L的V2O5溶膠。濃度為0.016mol/L的V2O5溶膠制備的V2O5薄膜正極材料在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線如圖7所示。實施例3
一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料的制備方法具體步驟，同實施例1，其
中:
第(2)步中，本實施例為配制濃度為0.0054mol/L的V2O5溶膠:將上述V2O5溶膠定容到150ml，得到濃度為0.0054 mol/L的V2O5溶膠。濃度為0.0054mol/L的V2O5溶膠制備的V2O5薄膜正極材料在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線如圖8所示。實施例4
一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料的制備方法具體步驟，同實施例1，其
中:
第(2)步中，本實施例為配制濃度為0.004mol/L的V2O5溶膠:將上述V2O5溶膠定容到200ml，得到濃度為0.004 mol/L的V2O5溶膠。濃度為0.004mol/L的V2O5溶膠制備的V2O5薄膜正極材料在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線如圖9所示。實施例5
一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料的制備方法具體步驟，同實施例1，其
中:
第(2)步中，本實施例為配制濃度為0.0032mol/L的V2O5溶膠:將上述V2O5溶膠定容到250ml，得到濃度為0.0032 mol/L的V2O5溶膠。濃度為0.0032mol/L的V2O5溶膠制備的V2O5薄膜正極材料在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線如圖10所示。實施例6
一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料的制備方法具體步驟，同實施例1，其
中:
第(2)步中，本實施例為配制濃度為0.002mol/L的V2O5溶膠:將上述V2O5溶膠定容到400ml，得到濃度為0.002 mol/L的V2O5溶膠。濃度為0.002mol/L的V2O5溶膠制備的V2O5薄膜正極材料在質量電流密度為400mA/g條件下的恒電流充放電容量曲線如圖11所示。
權利要求
1.一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料，該材料通過以下方法制備: (1)制備V2O5溶膠:取3mL30%的雙氧水溶液于25 mL的燒杯中，然后將0.146 g V2O5粉末放入燒杯中，室溫下充分緩慢攪拌使V2O5粉末完全溶解，然后加入2 mL去離子水繼續(xù)攪拌至形成穩(wěn)定的紅棕色溶膠； (2)配制不同濃度的溶膠:將上述V2O5溶膠分別定容到50mL-400ml，得到濃度范圍為:.0.002 mol/L 至 0.016 mol/L 的 V2O5 溶膠； (3)預處理Pt基底:將Pt片浸沒在雙氧水中，浸泡10分鐘，然后用去離子水沖洗干凈，自然風干； (4)制備V2O5薄膜電極:用移液器取IOPL所需濃度的V2O5溶膠，鋪展在經預處理的Pt片上，自然風干后，置于500°C的馬弗爐中煅燒2小時，自然冷卻至室溫，即得到V2O5薄膜電極。
全文摘要
一種用于鋰離子電池的高容量V2O5薄膜正極材料，該材料通過以下方法制備(1)制備V2O5溶膠以粉末V2O5為原料，與H2O2攪拌混合制備V2O5溶膠；(2)配制不同濃度的溶膠將上述V2O5溶膠分別配制成濃度范圍為0.002mol/L至0.016mol/L的溶膠；(3)預處理Pt基底將Pt片浸沒在雙氧水中，浸泡10分鐘，然后用去離子水沖洗干凈，自然風干；(4)制備V2O5薄膜電極用移液器取10μL所需濃度的V2O5溶膠，鋪展在Pt片上，自然風干，置于500℃的馬弗爐中煅燒2h，自然冷卻至室溫，得到V2O5薄膜電極。本發(fā)明的V2O5薄膜材料微觀形貌特殊，可以提高鋰離子電池的比容量。
文檔編號H01M4/48GK103078082SQ201210557508
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權日2012年12月20日
發(fā)明者余丹梅, 文嘉植, 陳昌國, 譙亞娟 申請人:重慶大學