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锂离子电池正极材料磷酸钒锂的制备及性能研究

芮先宏  
【摘要】: 自从1990年Sony公司将锂离子电池产业化后,锂离子电池已经成为目前最有效的储能电源系统,并广泛应用于通讯产品、数码产品、混合电动汽车和电动汽车等领域。但是,随着人们对于能量更高、寿命更长、安全性更好的锂离子电池的追求,现有的工业化应用材料如正极LiCoO_2和负极石墨已经难以满足。因此,科研工作者们正积极的开发新型电极材料以满足未来锂离子电池的发展需求。众所周知,正极材料是锂离子电池中最关键的部分,因为它在很大程度上决定了电池的整体成本、能量、使用寿命及安全性能等。本硕士论文主要是研究新型的锂离子电池正极材料Li_3V_2(PO_4)_3。 在论文第一章中,作者简要地介绍了电池的发展历史和锂离子电池的结构及工作原理,并综述了锂离子电池常见电极及电解质材料以及磷酸钒锂正极材料的研究进展。 在第二章中,主要介绍了本论文中所用到的实验仪器和方法,详细阐述了实验用扣式电池的制备过程以及常用的结构和电化学测试手段。 在第三章中,作者采用固相碳热还原法以蔗糖为碳源合成了具有单斜结构的Li_3V_2(PO_4)_3/C复合正极材料。考察了烧结温度和蔗糖添加量对Li_3V_2(PO_4)_3/C物理性能和电化学性能的影响。结果表明,在750oC、蔗糖添加量为n(蔗糖):n(LVP)=0.4:1摩尔比时合成的Li_3V_2(PO_4)_3/C样品具有最好的电化学性能,尤其是倍率性能。 第四章是在上一章的基础上着重研究了四种不同碳源即柠檬酸、葡萄糖、PVDF和淀粉对合成的Li_3V_2(PO_4)_3/C复合材料的物理性能和电化学性能的影响。残碳量测定,发现基于柠檬酸合成的Li_3V_2(PO_4)_3/C样品的残碳量最低,为1.33%。电化学测试表明,基于PVDF碳源合成的Li_3V_2(PO_4)_3/C样品的阻抗最小,具有最好的倍率性能。 在第五章中,作者还采用了溶胶-凝胶法,以草酸为络合剂、麦芽糖为碳源合成了具有单斜结构的Li_3V_2(PO_4)_3/C复合正极材料,并对材料的物理性质和电化学性能进行了研究。着重考察了两个重要的合成因素:烧结温度和残碳量。结果表明,电化学性能最好的样品是在750oC下合成的残碳量为11.6 wt%的Li_3V_2(PO_4)_3/C样品。在3.0-4.3 V电压范围内,从0.5C(125 mAh g-1)到5C(116mAh g-1)容量只有7.2%的衰减,甚至在10C下还高达82 mAh g-1。 在第六章中,作者用三种不同的方法CV、GITT和EIS对Li_3V_2(PO_4)_3/C中锂离子的扩散系数( Ltriu+eD和Lapi+pD )进行了测定。结果表明,由CV测得的DLi+在10-10-10-11 cm2 s-1数量范围内;EIS测得的单相区内的真实扩散系数为10-9-10-10 cm2 s-1;而用GITT测得的Ltriu+eD和Lapi+pD分别为~10-9 cm2 s-1和10-8-10-13 cm2 s-1。另外,对于单相区内的真实扩散系数,这三种方法算出的结果比较吻合,在10-9-10-10 cm2 s-1范围内。 最后,在第七章中,作者对本论文的创新和不足之处进行了总结并对未来的研究工作提出了展望。


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