一種利用生物碳源制備碳包覆磷酸釩鋰的方法技術(shù)

一種利用生物碳源制備碳包覆磷酸釩鋰的方法，包括以下步驟：(1)將釩源與還原劑混合均勻后，再加入磷源和鋰源，其中釩元素、鋰元素和磷元素的摩爾比為(3?3.45):2:3；(2)將生物碳源加入步驟(1)中的混合物中，并混合均勻；(3)將步驟(2)中的混合物進(jìn)行干燥，研磨，并于惰性氣體中分次煅燒，最后研磨即得到利用生物碳源制備的碳包覆磷酸釩鋰。本方法制備的磷酸釩鋰其表面包覆碳層含有氮、硫等雜原子。

Method for preparing carbon coated lithium vanadium phosphate by utilizing biological carbon source

A method for preparation of carbon coated lithium vanadium phosphate using biological carbon source system, which comprises the following steps: (1) the vanadium source and reducing agent are mixed evenly, adding phosphorus source and lithium source, the molar ratio of vanadium, lithium and phosphorus (3 to 3.45): 2:3 (2); the biological carbon source addition step (1) in the mixture, and mix uniformly; (3) the step (2) in a mixture of dry grinding, and calcining in an inert gas, finally grinding is obtained using the biological carbon source for the preparation of carbon coated lithium vanadium phosphate. The surface of the lithium vanadium phosphate prepared by the method is coated with heteroatom containing nitrogen and sulfur.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種利用生物碳源制備碳包覆磷酸釩鋰的方法
本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種制備碳包覆磷酸釩鋰的一種方法，尤其是采用生物碳源包覆磷酸釩鋰的一種方法。
技術(shù)介紹
能源危機(jī)和環(huán)境污染日益威脅著人類(lèi)的生存和發(fā)展。電動(dòng)汽車(chē)具有能源利用效率高，清潔零排放的特點(diǎn)，可以有效的應(yīng)對(duì)全世界范圍內(nèi)的能源與環(huán)境問(wèn)題，因而引起了世界各國(guó)的高度重視。鋰離子電池具有比容量大，放電電壓平臺(tái)高，充放電庫(kù)倫效率高，無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域比較理想的動(dòng)力電源。常規(guī)的動(dòng)力鋰離子電池正極材料有尖晶石錳酸鋰，鎳鈷錳三元材料和聚陰離子型正極材料。由于聚陰離子型正極材料結(jié)構(gòu)比錳酸鋰和三元材料穩(wěn)定，具有較高的安全性而備受關(guān)注。已被廣泛研究的聚陰離型正極材料包括磷酸鐵鋰材料和磷酸釩鋰材料。其中磷酸釩鋰材料具有比磷酸鐵鋰更高的充放電平臺(tái)和更高的充放電容量，其充電至4.8V后理論比容量可達(dá)197mAh/g。同時(shí)磷酸釩鋰具有三維框架結(jié)構(gòu)，可以提供快速的三維鋰離子傳遞通道，在較低的溫度下仍能保證鋰離子的快速傳遞。因此磷酸釩鋰材料被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用前景的動(dòng)力電池正極材料。然而磷酸釩鋰的聚陰離子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其電子導(dǎo)電性顯著低于嵌鋰氧化物結(jié)構(gòu)的錳酸鋰和鎳鈷錳三元材料。要開(kāi)發(fā)高倍率、高循環(huán)穩(wěn)定性的磷酸釩鋰材料則必須提高磷酸釩鋰的電子導(dǎo)電性。碳包覆是一種提高磷酸釩鋰電子導(dǎo)電性的簡(jiǎn)單而易行的方法。常規(guī)碳包覆方法采用的含碳前驅(qū)體為蔗糖或者酚醛樹(shù)脂，但這類(lèi)前驅(qū)體在熱處理之后只含有碳元素，對(duì)提高磷酸釩鋰的性能有限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于提供一種采用生物碳源制備碳包覆磷酸釩鋰的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：一種利用生物碳源制備碳包覆磷酸釩鋰的方法，包含如下步驟：1)將釩源與還原劑于水中混合均勻后，再加入磷源和鋰源，其中釩元素、鋰元素和磷元素的摩爾比為(3-3.45):2:3；2)將生物碳源加入步驟1)中的混合物中，并混合均勻；3)將步驟2)中的混合物進(jìn)行干燥，研磨，并于惰性氣體中分次煅燒并研磨。步驟1)中所使用釩源為五氧化二釩、釩酸銨中的一種或二種以上；所使用的鋰源為金屬鋰、氫氧化鋰、碳酸鋰、草酸鋰中的一種或二種以上；所使用的磷源為磷酸、磷酸銨中的一種或二種以上；所使用的還原劑為既可作為還原劑又可作為配體的有機(jī)酸類(lèi)化合物，為草酸、檸檬酸、抗壞血酸中的一種或二種以上。步驟2)中所使用的生物碳源為明膠。使用的明膠的相對(duì)分子質(zhì)量為10000至300000。使用的明膠質(zhì)量占釩元素質(zhì)量的4％至40倍。使用的明膠其中所的含碳元素、氧元素、氮元素和硫元素占總質(zhì)量的95％以上。所用還原劑的摩爾量為釩元素摩爾量的1至5倍。步驟3)中使用的惰性氣體為氮?dú)饣蛘邭鍤狻２襟E3)中使用的分次煅燒方式為：300-600℃煅燒2-6小時(shí)后進(jìn)行研磨，再于650-950℃煅燒3-20小時(shí)后研磨。本專(zhuān)利技術(shù)有益效果：本專(zhuān)利技術(shù)所制備的碳包覆磷酸釩鋰其表面碳層中含有氮、硫等雜原子。氮、硫雜原子的存在增加了表面碳層的電子導(dǎo)電性和對(duì)鋰離子的親和性，從而可以提高所制備的碳包覆磷酸釩鋰材料在鋰離子電池中的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)該方法可以一步碳化制得摻雜有氮元素和硫元素的碳包覆磷酸釩鋰材料，不需要復(fù)雜后摻雜步驟。附圖說(shuō)明圖1實(shí)施例1中碳包覆磷酸釩鋰透射電子顯微鏡照片圖2實(shí)施例2中碳包覆磷酸釩鋰透射電子顯微鏡照片圖3實(shí)施例3中本方法所制備磷酸釩鋰材料電池性能曲線(4.3V至3V充放電曲線)圖4實(shí)施例3中本方法所制備磷酸釩鋰材料電池性能曲線(4.8V至3V充放電曲線)圖5實(shí)施例4中本方法所制備磷酸釩鋰材料電池性能曲線(4.3V至3V充放電曲線)圖6實(shí)施例4中本方法所制備磷酸釩鋰材料電池性能曲線(4.8V至3V充放電曲線)具體實(shí)施方式實(shí)施例1稱(chēng)取1.82g五氧化二釩與2.7g草酸于水溶液中混合均勻，并加熱使五氧化二釩完全溶解，然后加入3.46g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85％的磷酸溶液和1.38g氫氧化鋰。將前述溶液攪拌均勻后加入1.5g明膠并混合均勻。將該混合物于120℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥，研磨后于350℃的管式爐中煅燒3小時(shí)，煅燒氣氛為氮?dú)?。取出研磨后，再?50℃的管式爐中煅燒6小時(shí)。取出研磨，即得采用生物碳源制備的碳包覆磷酸釩鋰材料。將該材料與導(dǎo)電碳粉，粘結(jié)劑聚偏氟乙烯按照質(zhì)量比為8:1:1的比例混合，并加入N-甲基吡咯烷酮作為溶劑，制成膏體。將該膏體涂覆于鋁集流體上，制備成電極，電極上磷酸釩鋰的擔(dān)量為2mg/cm2。將該電極于120℃的真空烘箱中干燥24小時(shí)后，轉(zhuǎn)入手套箱。將磷酸釩鋰電極與鋰片組裝成半電池進(jìn)行充放電測(cè)試。該材料在0.1C倍率下，4.3V至3V充放電容量為128mAh/g，4.8V至3V充放電容量為180mAh/g。10C倍率下，4.3V至3V充放電容量為120mAh/g，4.8V至3V充放電容量為140mAh/g。未加入明膠的樣品在0.1C倍率下，4.3V至3V充放電容量為120mAh/g，4.8V至3V充放電容量為150mAh/g。10C倍率下，4.3V至3V充放電容量為80mAh/g，4.8V至3V充放電容量為100mAh/g。實(shí)施例2稱(chēng)取1.82g五氧化二釩與2.7g草酸于水溶液中混合均勻，并加熱使五氧化二釩完全溶解，然后加入3.46g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85％的磷酸溶液和1.22g氫氧化鋰。將前述溶液攪拌均勻后加入1.5g明膠并混合均勻。將該混合物于120℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥，研磨后于400℃的管式爐中煅燒3小時(shí)，煅燒氣氛為氮?dú)狻Ｈ〕鲅心ズ?，再?50℃的管式爐中煅燒6小時(shí)。取出研磨，即得采用生物碳源制備的碳包覆磷酸釩鋰材料。將該材料與導(dǎo)電碳粉，粘結(jié)劑聚偏氟乙烯按照質(zhì)量比為8:1:1的比例混合，并加入N-甲基吡咯烷酮作為溶劑，制成膏體。將該膏體涂覆于鋁集流體上，制備成電極，電極上磷酸釩鋰的擔(dān)量為2mg/cm2。將該電極于120℃的真空烘箱中干燥24小時(shí)后，轉(zhuǎn)入手套箱。將磷酸釩鋰電極與鋰片組裝成半電池進(jìn)行充放電測(cè)試。該材料在0.1C倍率下，4.3V至3V充放電容量為127mAh/g，4.8V至3V充放電容量為178mAh/g。10C倍率下，4.3V至3V充放電容量為122mAh/g，4.8V至3V充放電容量為135mAh/g。未加入明膠的樣品在0.1C倍率下，4.3V至3V充放電容量為121mAh/g，4.8V至3V充放電容量為155mAh/g。10C倍率下，4.3V至3V充放電容量為90mAh/g，4.8V至3V充放電容量為105mAh/g。實(shí)施例3稱(chēng)取1.82g五氧化二釩與2.7g草酸于水溶液中混合均勻，并加熱使五氧化二釩完全溶解，然后加入1.38g氫氧化鋰和6.09g磷酸銨。將前述溶液攪拌均勻后加入1.3g明膠并混合均勻。將該混合物于120℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥，研磨后于350℃的管式爐中煅燒3小時(shí)，煅燒氣氛為氬氣。取出研磨后，再于750℃的管式爐中煅燒6.5小時(shí)。取出研磨，即得采用生物碳源制備的碳包覆磷酸釩鋰材料。將該材料與導(dǎo)電碳粉，粘結(jié)劑聚偏氟乙烯按照質(zhì)量比為8:1:1的比例混合，并加入N-甲基吡咯烷酮作為溶劑，制成膏體。將該膏體涂覆于鋁集流體上，制備成電極，電極上磷酸釩鋰的擔(dān)量為2mg/cm2。將該電極于120℃的真空烘箱中干燥24小時(shí)后，轉(zhuǎn)入手套箱。將磷酸釩鋰電極與鋰片組裝成半電池進(jìn)行充放本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種利用生物碳源制備碳包覆磷酸釩鋰的方法，其特征在于，包含如下步驟：1)將釩源與還原劑于水中混合均勻后，再加入磷源和鋰源，其中釩元素、鋰元素和磷元素的摩爾比為(3?3.45):2:3；2)將生物碳源加入步驟1)中的混合物中，并混合均勻；3)將步驟2)中的混合物進(jìn)行干燥，研磨，并于惰性氣體中分次煅燒并研磨。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種利用生物碳源制備碳包覆磷酸釩鋰的方法，其特征在于，包含如下步驟：1)將釩源與還原劑于水中混合均勻后，再加入磷源和鋰源，其中釩元素、鋰元素和磷元素的摩爾比為(3-3.45):2:3；2)將生物碳源加入步驟1)中的混合物中，并混合均勻；3)將步驟2)中的混合物進(jìn)行干燥，研磨，并于惰性氣體中分次煅燒并研磨。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟1)中所使用釩源為五氧化二釩、釩酸銨中的一種或二種以上；所使用的鋰源為金屬鋰、氫氧化鋰、碳酸鋰、草酸鋰中的一種或二種以上；所使用的磷源為磷酸、磷酸銨中的一種或二種以上；所使用的還原劑為既可作為還原劑又可作為配體的有機(jī)酸類(lèi)化合物，為草酸、檸檬酸、抗壞血酸中的一種或二種以上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張華民，周偉，張洪章，李先鋒，晏娜，楊曉飛，程意，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：遼寧,21