一种薄片状铵钒氧化物及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电池正极材料制备领域，具体涉及一种锂离子电池正极材料薄片状铵钒氧化物及其制备方法。

背景技术：

锂离子二次电池具有能量密度高、循环寿命长和自放电小等优点，现已广泛应用于各类便携式电子产品与移动设备上，而锂离子电池的正极材料是该类电池的重要组成部分，正极材料的性能制约着锂离子电池的功率与能量密度。

作为锂离子电池正极材料，常见的有钴酸锂(licoo2)、镍酸锂(linio2)、锰酸锂(limn2o4)、聚阴离子型材料磷酸铁锂(lifepo4)和钒的氧化物等。其中，钴酸锂是最早商品化的正极材料，但钴酸锂材料价格昂贵且有一定的毒性。镍酸锂材料合成过程比较困难，难以大规模生产。虽然锰酸锂具有价格便宜、无毒等优点，但材料结构不稳定，循环性能较差、特别是在高温下嵌锂容量迅速衰减等。磷酸铁锂其循环寿命长，但是其容量低。所以，限制了这些材料在锂离子电池中的实际应用。

同上述锂离子电池电极材料相比，铵钒氧化物具有廉价、无环境污染、能量密度高的优点。并且，地球的钒矿储量丰富，我国的钒矿资源储量位居世界第三。此外，相比于其他钒氧化合物电极材料(v2o5，vo2，v6o13)，具有无毒，化学性质稳定，不易被氧化，便于存储，材料的结构稳定性好，电子电导率较高以及适合大量生产等优势。

由于铵钒氧化物插入的铵根离子是非化学计量的，因此铵钒氧化物可以形成许多不同种类的相和结构。例如，nh4v4o10纳米带(j.powersources157(2006)528)、球状(nh4)0.38v2o5(cn103531764a)、类石墨硝酸盐结构的(nh4)0.19v2o5·0.44h2o(cn103531766a)和最近发现的新相(nh4)0.6v2o5(rscadvances5(2015)90888)，它们作为锂离子电池的正极材料，展现了较高的放电比容量。

由于铵钒氧化物种类多样，在合成过程中，不同反应物，反应条件及不同的合成方法所合成的铵钒氧化物不同。并且，一些铵钒氧化物存在混价结构，因此，不同的还原剂及还原剂用量直接影响v最后的价态，从而影响铵根离子的含量。目前，研究和合成较多的混价铵钒氧化物为nh4v4o10，然而(nh4)0.6v2o5目前只有一种方法合成：利用nh4vo3为钒源，甲酸作为还原剂在250℃以上水热反应合成。所得产物的形貌为方砖状，颗粒较大，虽然其首次放电容量较高，但其循环稳定性不是很好。由于颗粒大会增加锂离子扩散距离，容量衰减会变快。

技术实现要素：

针对上述铵钒氧化物的颗粒尺寸大、电化学循环性能差等问题，本发明的目的在于提供一种化学性质稳定，不易被氧化，循环性能良好的铵钒氧化物。

一方面，本发明提供了一种薄片状铵钒氧化物，所述铵钒氧化物为薄片状且组成为(nh4)xv2o5，其中0.55≤x≤0.75，所述铵钒氧化物的厚度为100～1000nm，所述铵钒氧化物最长的一边的长度与厚度的比≥100。

本发明提供的铵钒氧化物的厚度尺寸小，在充放电过程中，具有较小锂离子扩散距离，同时薄片状形貌具有大的表面积，可以提高电极与电解液的接触面积，从而减缓容量衰减，提高铵钒氧化物的容量和循环稳定性。

较佳地，所述铵钒氧化物的形貌为正方形薄片、长方形薄片和多边形薄片中的至少一种。

较佳地，所述铵钒氧化物的厚度为100～300nm，所述铵钒氧化物最长的一边的长度与厚度的比为(100～300)：1。

另一方面，本发明还提供了上述所述薄片状铵钒氧化物的制备方法，将偏钒酸铵，金属硼氢化物溶于水中，在160～240℃下水热反应4～100小时，再经冷却、过滤、洗涤和干燥后，得到所述薄片状铵钒氧化物。

较佳地，所述的金属硼氢化物为硼氢化锂、硼氢化钠、硼氢化钾、硼氢化铷、硼氢化镁、硼氢化铝、硼氢化钙和硼氢化锌中的至少一种。

较佳地，所述偏钒酸铵和金属硼氢化物的摩尔比为(2～8.54)：1。

再一方面，本发明提供了一种薄片状铵钒氧化物在锂离子电池正极材料中的应用。

本发明的显著优点在于：本发明采用低成本的原料，重复性好，水热合成法简单易行，合成条件温和，产率高，易于大规模生产。本发明制备的薄片状的(nh4)xv2o5(x＝0.55)作为锂离子电池的正极材料，在放电过程中，第一次的放电比容量为263.5mah/g；第二次放电比容量为250mah/g；充放电循环30次，容量保持在178.9mah/g。

本发明工艺简单，重复性好，产率高，合成条件温和，成本低。所制备的材料化学性质稳定，不易被氧化，便于存储。本发明制备的材料的结构稳定性好且具有较高的比容量高。

附图说明

图1为本发明实施例1的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.55)的xrd图；

图2为本发明实施例1的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.55)的扫描电镜图；

图3为本发明实施例1的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.55)在电流密度为20ma/g，1.0～3.8v的首次充放电曲线；

图4为本发明实施例1的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.55)在电流密度为20ma/g，1.0～3.8v的循环性能图；

图5为本发明实施例2的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.75)的xrd图；

图6为本发明实施例2的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.75)的扫描电镜图；

图7为本发明实施例2的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.75)在电流密度为20ma/g，1.0～3.8v的首次充放电曲线；

图8为本发明实施例2的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.75)在电流密度为20ma/g，1.0～3.8v的循环性能图；

图9为本发明实施例3的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.65)的xrd图；

图10为本发明实施例3的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.65)的扫描电镜图；

图11为本发明实施例3的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.65)在电流密度为20ma/g，1.0～3.8v的首次充放电曲线；

图12为本发明实施例3的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.65)在电流密度为20ma/g，1.0～3.8v的循环性能图；

图13为本发明实施例4的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.60)的xrd图；

图14为本发明实施例4的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.60)的扫描电镜图；

图15为本发明实施例4的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.60)在电流密度为10ma/g，1.0～3.8v的首次充放电曲线；

图16为本发明实施例4的薄片状(nh4)xv2o5(x＝0.60)在电流密度为10ma/g，1.0～3.8v的循环性能图；

图17为本发明对比例1的方砖状(nh4)0.6v2o5的xrd图；

图18为本发明对比例1的方砖状(nh4)0.6v2o5的扫描电镜图；

图19为本发明对比例1的方砖状(nh4)0.6v2o5在电流密度为10ma/g，1.0～3.8v的首次充放电曲线；

图20为本发明对比例1的方砖状(nh4)0.6v2o5在电流密度为10ma/g，1.0～3.8v的循环性能图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明以偏钒酸铵和金属硼氢化物为原料，采用水热合成法，制得薄片状铵钒氧化物。其中所述铵钒氧化物为薄片状且组成为化学式为(nh4)xv2o5(x＝0.65±0.10)。所述铵钒氧化物的厚度可为100～1000nm，优选为为100～300nm。

本发明中所述铵钒氧化物的形貌可为正方形、长方形薄片和多边形等。所述铵钒氧化物最长的一边的长度与厚度的比≥100，优选为(100～300)：1。

本发明工艺简单，重复性好，产率高，合成条件温和，成本低。所制备的电极材料比容量高。以下示例性地说明本发明提供的薄片状铵钒氧化物的制备方法。

将偏钒酸铵，金属硼氢化物溶于水中，在160～240℃下水热反应4～100小时，再经冷却、过滤、洗涤和干燥后，得到所述薄片状铵钒氧化物。

其中，所述的金属硼氢化物可为硼氢化锂，硼氢化钠，硼氢化钾，硼氢化铷，硼氢化镁，硼氢化铝，硼氢化钙，硼氢化锌中至少一种。

所述偏钒酸铵和金属硼氢化物的摩尔比可为2:1-8.54:1。

作为一个详细的示例，制备方法包括以下步骤：(1)将偏钒酸铵溶于蒸馏水中。(2)在磁力搅拌下，将金属硼氢化物加入到步骤(1)的偏钒酸铵溶液中，继续搅拌5分钟-60分钟。(3)将步骤(2)所得溶液移入反应釜中密封，在160-240℃下反应4-100h，经冷却过滤洗净干燥后，得到所定薄片状铵钒氧化物。

薄片状的(nh4)xv2o5(x＝0.65±0.10)可以作为锂离子电池的正极材料的活性组分。以下示例性地说明锂离子电池的正极的制备方法。

锂离子电池的正极的制备。薄片状的(nh4)xv2o5(x＝0.65±0.10)作为锂离子电池的正极材料的活性组分，导电剂是超级导电碳黑，粘结剂是聚偏氟乙烯，三者的质量比为7:2:1，所述锂离子电池正极材料还包含n-甲基吡咯烷酮。依次将称取的铵钒氧化物、超级导电碳黑、聚偏氟乙烯和n-甲基吡咯烷酮逐步加入到搅拌罐中搅拌，制备浆料；将制备得到的浆料进行涂布，制得极片，即得正极材料。

本发明通过xrd，tem，eds，raman，ft-ir，xps和ea对该铵钒氧化物进行分析，其化学式为(nh4)xv2o5(x＝0.65±0.10)。典型形貌为薄片状，厚度范围100-1000nm。薄片具有正方形(边长与铵钒氧化物的厚度的比≥100)，长方形(长宽比≤2，长方向尺寸与厚度之比≧100)，多边形(最长一边与厚度的比≥100)等形貌。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

薄片状铵钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.55)的制备方法包括以下步骤：

(1)将1g偏钒酸铵溶于40ml蒸馏水中；

(2)磁力搅拌下，将0.021g硼氢化锂加入到步骤(1)的偏钒酸铵溶液中，继续搅拌5分钟；

(3)将步骤(2)所得溶液移入反应釜中，密封。在240℃下反应4h，经冷却过滤洗净干燥后，得到所定薄片状铵钒氧化物。偏钒酸铵和硼氢化锂的摩尔比是：8.54:1。

通过xrd，tem，eds，raman，ft-ir，xps和ea对该薄片状铵钒氧化物进行分析，其化学式为(nh4)0.55v2o5。

产物的xrd图如图1所示，由图可知，该产物中无杂相，为纯相的(nh4)0.55v2o5。所得到的材料形貌如图2所示，为薄片状(有正方形、长方形、和多边形)，厚度范围为100-300nm，最长的一边的长度与厚度的比≥100，主要集中在(100～300)：1。

该薄片状铵钒氧化物(nh4)0.55v2o5正极材料制备正极。薄片状的(nh4)0.55v2o5作为锂离子电池的正极材料的活性组分，导电剂是超级导电碳黑，粘结剂是聚偏氟乙烯，三者的质量比为7:2:1，所述锂离子电池正极材料还包含n-甲基吡咯烷酮。依次将称取的0.35g铵钒氧化物、0.1g超级导电碳黑、0.05g聚偏氟乙烯和3mln-甲基吡咯烷酮逐步加入到搅拌罐中搅拌，制备浆料；将制备得到的浆料进行涂布，制得极片，即得正极材料。然后将所得正极与金属锂片负极、1m六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶液电解质在氩气保护下组装为电池。在电流密度为20ma/g，1.0～3.8v的首次充放电曲线和循环性能图分别如图3和4所示。在放电过程中，第一次的放电比容量为263.5mah/g；第二次放电比容量为250mah/g；充放电循环30次，容量保持在178.9mah/g。

实施例2

薄片状铵钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.75)的制备方法包括以下步骤：

(1)将1g偏钒酸铵溶于40ml蒸馏水中；

(2)磁力搅拌下，将0.077g硼氢化钠加入到步骤(1)的偏钒酸铵溶液中，继续搅拌60分钟；

(3)将步骤(2)所得溶液移入反应釜中，密封。在160℃下反应100h，经冷却过滤洗净干燥后，得到所定薄片状铵钒氧化物。偏钒酸铵和硼氢化钠的摩尔比是：4.2:1。

通过xrd，tem，eds，raman，ft-ir，xps和ea对该薄片状铵钒氧化物进行分析，其化学式为(nh4)0.75v2o5。

产物的xrd图如图5所示，由图可知，该产物中无杂相。虽然所得化学式与实施例1中稍有不同，但是其xrd图与实施例1所得到(nh4)0.55v2o5相同，说明nh4⁺含量的提高并没有引起晶体结构的转变。其形貌图如6所示，为薄片状(厚度范围500-1000nm)。薄片具有正方形、长方形、和多边形，最长的一边的长度与厚度的比≥100，主要集中在(100～200)：1。

该薄片状铵钒氧化物(nh4)0.75v2o5正极材料制备正极。薄片状的(nh4)0.75v2o5作为锂离子电池的正极材料的活性组分，导电剂是超级导电碳黑，粘结剂是聚偏氟乙烯，三者的质量比为7:2:1，所述锂离子电池正极材料还包含n-甲基吡咯烷酮。依次将称取的0.35g铵钒氧化物、0.1g超级导电碳黑、0.05g聚偏氟乙烯和3mln-甲基吡咯烷酮逐步加入到搅拌罐中搅拌，制备浆料；将制备得到的浆料进行涂布，制得极片，即得正极材料。然后将所得正极与金属锂片负极、1m六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶液电解质在氩气保护下组装为电池。在电流密度为20ma/g，1.0～3.8v的首次充放电曲线和循环性能图分别如图7和8所示。在放电过程中，第一次的放电比容量为295.5mah/g；第二次放电比容量为250mah/g；充放电循环30次，容量保持在172.8mah/g。

实施例3

薄片状铵钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.65)的制备方法包括以下步骤：

(1)将1g偏钒酸铵溶于40ml蒸馏水中；

(2)磁力搅拌下，将0.306g硼氢化铝加入到步骤(1)的偏钒酸铵溶液中，继续搅拌25分钟；

(3)将步骤(2)所得溶液移入反应釜中，密封。在200℃下反应50h，经冷却过滤洗净干燥后，得到所定薄片状铵钒氧化物。偏钒酸铵和硼氢化铝的摩尔比是：2:1。

通过xrd，tem，eds，raman，ft-ir，xps和ea对该薄片状铵钒氧化物进行分析，其化学式为(nh4)0.65v2o5。

产物的xrd图如图9所示，由图可知，该产物中无杂相。虽然所得化学式与实施例1和2中稍有不同，但是其xrd图与实施例1和2所得产物相同，说明nh4⁺含量的改变并没有引起晶体结构的转变。其形貌图如10所示，为薄片状(厚度范围200-600nm)。薄片具有正方形、长方形、和多边形，最长的一边的长度与厚度的比≥100，主要集中在(100～150)：1。

该薄片状铵钒氧化物(nh4)0.65v2o5正极材料制备正极。薄片状的(nh4)0.65v2o5作为锂离子电池的正极材料的活性组分，导电剂是超级导电碳黑，粘结剂是聚偏氟乙烯，三者的质量比为7:2:1，所述锂离子电池正极材料还包含n-甲基吡咯烷酮。依次将称取的0.35g铵钒氧化物、0.1g超级导电碳黑、0.05g聚偏氟乙烯和3mln-甲基吡咯烷酮逐步加入到搅拌罐中搅拌，制备浆料；将制备得到的浆料进行涂布，制得极片，即得正极材料。然后将所得正极与金属锂片负极、1m六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶液电解质在氩气保护下组装为电池。在电流密度为20ma/g，在1.0～3.8v的首次充放电曲线和循环性能图分别如图11和12所示。在放电过程中，第一次的放电比容量为281.5mah/g；第二次放电比容量为249.2mah/g；充放电循环30次，容量保持在182mah/g。

实施例4

薄片状铵钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.6)的制备方法包括以下步骤：

(1)将1g偏钒酸铵溶于40ml蒸馏水中；

(2)磁力搅拌下，将0.154g硼氢化钾加入到步骤(1)的偏钒酸铵溶液中，继续搅拌25分钟；

(3)将步骤(2)所得溶液移入反应釜中，密封。在180℃下反应24h，经冷却过滤洗净干燥后，得到所定薄片状铵钒氧化物。偏钒酸铵和硼氢化钾的摩尔比是：3:1。

通过xrd，tem，eds，raman，ft-ir，xps和ea对该薄片状铵钒氧化物进行分析，其化学式为(nh4)0.6v2o5。

产物的xrd图如图13所示，由图可知，该产物中无杂相。虽然所得化学式与实施例1、2和3中稍有不同，但是其xrd图与实施例1、2和3所得产物的xrd图相同，说明nh4⁺含量的改变并没有引起晶体结构的转变。其形貌图如14所示，为薄片状(厚度范围100-800nm)。薄片具有正方形、长方形、和多边形，最长的一边的长度与厚度的比≥100，主要集中在(100～180)：1。

该薄片状铵钒氧化物(nh4)0.6v2o5正极材料制备正极。薄片状的(nh4)0.6v2o5作为锂离子电池的正极材料的活性组分，导电剂是超级导电碳黑，粘结剂是聚偏氟乙烯，三者的质量比为7:2:1，所述锂离子电池正极材料还包含n-甲基吡咯烷酮。依次将称取的0.35g铵钒氧化物、0.1g超级导电碳黑、0.05g聚偏氟乙烯和3mln-甲基吡咯烷酮逐步加入到搅拌罐中搅拌，制备浆料；将制备得到的浆料进行涂布，制得极片，即得正极材料。然后将所得正极与金属锂片负极、1m六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶液电解质在氩气保护下组装为电池。在电流密度为10ma/g，在1.0～3.8v的首次充放电曲线和循环性能图分别如图15和16所示。在放电过程中，第一次的放电比容量为345.9mah/g；第二次放电比容量为291.5mah/g；充放电循环30次，容量保持在207.8mah/g。

对比例1以甲酸为还原剂所得(nh4)0.6v2o5包括以下步骤：

(1)将1.733g偏钒酸铵溶于40ml蒸馏水中；

(2)磁力搅拌下，将0.6g甲酸加入到步骤(1)的偏钒酸铵溶液中，继续搅拌25分钟；

(3)将步骤(2)所得溶液移入反应釜中，密封。在270℃下反应24h，经冷却过滤洗净干燥后，得到方砖状铵钒氧化物。偏钒酸铵和甲酸的摩尔比是1:1.14。

通过xrd，tem，eds，raman，ft-ir，xps和ea对该铵钒氧化物进行分析，其化学式为(nh4)0.6v2o5。图17为本发明对比例1的方砖状(nh4)0.6v2o5的xrd图，由图17可知，该产物中无杂相。所得化学式与实施例4相同，其xrd图与实施例1、2、3和4所得产物的xrd图相同，说明nh4⁺含量的改变并没有引起晶体结构的转变。图18为本发明对比例1的方砖状(nh4)0.6v2o5的扫描电镜图，由图18可知，形貌为方砖状，大小不均，长度尺寸在2-23μm，厚度≥800nm。

该方砖状铵钒氧化物(nh4)0.6v2o5正极材料制备正极。方砖状(nh4)0.6v2o5作为锂离子电池的正极材料的活性组分，导电剂是超级导电碳黑，粘结剂是聚偏氟乙烯，三者的质量比为7:2:1，所述锂离子电池正极材料还包含n-甲基吡咯烷酮。依次将称取的0.35g铵钒氧化物、0.1g超级导电碳黑、0.05g聚偏氟乙烯和3mln-甲基吡咯烷酮逐步加入到搅拌罐中搅拌，制备浆料；将制备得到的浆料进行涂布，制得极片，即得正极材料。然后将所得正极与金属锂片负极、1m六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶液电解质在氩气保护下组装为电池。图19和20是以所得方砖状(nh4)0.6v2o5为锂离子电池的正极材料的活性组分的首次充放电曲线和循环性能图。由图可知，在电流密度为10ma/g，放电过程中，第一次的放电比容量为280.2mah/g；第二次放电比容量为241mah/g；充放电循环30次，容量保持在152.8mah/g。

由薄片状铵钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.60)和方砖状(nh4)0.6v2o5的循环性能图和首次充放电曲线可知，薄片状钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.60)的比容量和循环性能要好于方砖状(nh4)0.6v2o5。在相同的电流密度下，薄片状铵钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.60)首次放电比容量为345.9mah/g，而方砖状(nh4)0.6v2o5为280.2mah/g。薄片状铵钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.60)充放电循环30次后，容量保持在207.8mah/g，而方砖状(nh4)0.6v2o5为152.8mah/g。薄片状铵钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.60)和方砖状铵钒氧化物(nh4)xv2o5(x＝0.60)的2-30次的容量衰减(即、循环30次放电比容量和第2次放电比容量相比的容量衰减百分比)分别为28.7％和36.6％。薄片状铵钒氧化物(nh4)0.6v2o5相比于方砖状(nh4)0.6v2o5具有好的电化学性能，其原因在于厚度尺寸小，在充放电过程中，具有较小锂离子扩散距离，同时薄片状形貌具有大的表面积，可以提高电极与电解液的接触面积，从而减缓容量衰减，提高电池的比容量和循环性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的实质技术内容范围，本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。