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《江苏大学》 2017年
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静电纺丝法制备3D网络结构Li_3V_2(PO_4)_3/C电极材料及其电化学性能研究

皮智超  
【摘要】:近年来,清洁能源的开发成为了当今世界的重要主题之一,而有效的储能装置就显得尤为重要,锂离子电池凭借特有的优势,在众多储能器件中脱颖而出。磷酸钒锂(Li_3V_2(PO_4)_3)作为锂离子电池磷酸盐系中理论比容量最高的正极材料,受到了研究人员的重视。但Li_3V_2(PO_4)_3电子电导率较差,导致其倍率性能和循环性能不好,成为抑制其广泛应用的主要原因。本文采用静电纺丝法制备出免粘结剂和金属集流体的3D网络结构磷酸钒锂/碳(Li_3V_2(PO_4)_3/C)电极材料,并通过Ni掺杂进行改性,制备出了Li_3V_2(PO_4)_3/C纳米线/纳米纤维复合电极材料。通过X射线衍射(XRD)、热重(TGA)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等一系列方法对材料的微观结构和形貌进行了表征,通过循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)和恒流充放电等手段对其电化学性能进行了测试,并将Li_3V_2(PO_4)_3/C纳米线/纳米纤维自支撑复合电极与钛酸锂(Li_4Ti_5O_(12))负极片组装成了全电池,对纤维基全电池的组装工艺进行了探索。本文的主要研究成果包括:(1)通过静电纺丝法和热处理工艺制备了免粘结剂和集流体的3D网络结构Li_3V_2(PO_4)_3/C电极材料,研究了电纺丝和热处理工艺过程。发现:纺丝电压为25KV,所用针头直径为0.6mm,推进泵向前推进的速率为1.2m L/h,滚筒接收器到针头的距离为15cm,滚筒的转速为200rmp,在此条件下制备出了均匀致密的3D网络结构Li_3V_2(PO_4)_3/C纤维前驱体;当热处理条件为850℃~20h时,Li_3V_2(PO_4)_3具有较好的结晶性,且纤维中的碳也部分石墨化,同时,材料能够保持良好的纤维形貌和3D网络结构及较好的柔韧性。通过相关电性能检测发现,850℃~20 h处理下的电极具有良好的电化学性能。在3.0-4.8V电压范围,0.1C,1C,2C,5C,10C和20C下充放电,其比容量分别为169.7 m Ah/g、136.9 m Ah/g、131.1m Ah/g、108.3 m Ah/g、98 m Ah/g和74.5 m Ah/g;1C下循环,首次放电比容量为147 m Ah/g,1000圈后容量保持率为76%;5C下首次放电比容量为126 m Ah/g,经过800圈循环,容量为71 m Ah/g。(2)在上述研究基础上,通过掺杂Ni元素,对Li_3V_2(PO_4)_3/C纤维材料进行了改性,研究了不同Ni含量对Li_3V_2(PO_4)_3/C纤维结构和电化学性能的影响,发现:Ni的引入促使Li_3V_2(PO_4)_3/C纤维表面定向生长出Li_3V_2(PO_4)_3纳米线,形成纳米线/纳米纤维复合3D网络结构。其中当Ni含量为1‰时,复合电极表现出了良好的倍率性能,在0.1C、1C、2C、5C、10C和20C下的首次放电比容量分别为187.5m Ah/g、148.5 m Ah/g、138.8 m Ah/g、115.5 m Ah/g、105 m Ah/g和76.6 m Ah/g,表现出了良好的倍率性能。在1C下循环充放电,电极的首次放电比容量为195.7 m Ah/g,300圈循环后,剩余比容量依然为132.2 m Ah/g。通过进一步分析发现,Ni的掺入使Li_3V_2(PO_4)_3定向生长,其原因可能是在结晶过程中,Ni起到了形核剂的作用,促使纤维上的某些区域优先形核,结晶并沿一个方向生长,成为单晶的纳米线,最终形成了Li_3V_2(PO_4)_3纳米线与Li_3V_2(PO_4)_3/C纳米纤维的复合网络结构。(3)将制备出的Li_3V_2(PO_4)_3/C复合正极片,与Li_4Ti_5O_(12)负极片组装成全电池。探索了纤维基全电池的组装工艺,发现:Li_3V_2(PO_4)_3/C//Li_4Ti_5O_(12)全电池在0.1C、0.5C和1C下的首次放电比容量分别为131.7m Ah/g,98 m Ah/g,80.6m Ah/g,且具有较好的循环性。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB332;TM912

【参考文献】
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