高容量锂电池纳米电极材料合成表征与电化学性能研究

【摘要】： 植入式医疗器件、电动汽车和通讯器材等移动式应用领域的快速发展,为锂一次和锂二次电池带来了前所未有的机遇与挑战。高容量、长寿命、高安全性的电极材料是锂电池领域研究的重点。目前锂电池中所用的传统电极材料存在着利用率低、锂离子扩散慢、极化大等问题,制约着锂电池性能的提升。纳米材料具有反应活性高、有利于电荷传导和物质输送以及独特的结构优势,可以有效地提高锂电池的性能,其组成、结构、形貌与性能之间的关系需深入研究。另一方面,以α-CuV_2O_6为代表的过渡金属钒酸盐和Si是极具潜力的锂电池电极材料。因此,本论文开展了过渡金属钒酸盐和Si纳米/微米材料的可控制备、表征与电化学性能研究。主要内容如下: 采用水热法可控制备出α-CuV_2O_6一维纳米/微米材料,获得了α-CuV_2O_6纳米线“奥斯特瓦尔德熟化-分裂”的形成机理,详细研究了α-CuV_2O_6纳米线的嵌锂机理和电化学性能。结果表明:α-CuV_2O_6纳米线由于具有比表面积大、锂离子固态扩散路径短等优势,电化学性能得到显著提高,在20 mA/g电流密度下的放电比容量达到514 mAh/g,电荷传输反应表观活化能为39.3～35.7 kJ/mol,明显优于α-CuV_2O_6亚微米线、微米棒以及块状颗粒,在锂一次电池中表现出潜在的应用前景。 通过水热-热处理两步反应可控制备出具有多孔结构的FeVO_4纳米棒和纳米颗粒,这种多孔材料显示出较高的放电容量和较好的循环性能,特别是FeVO_4多孔纳米棒循环20周后,放电容量仍能达到760 mAh/g,在锂二次电池负极材料中具有潜在的应用。进一步采用水热法可控制备得到了CoV_2O_6纳米线和Co_2V_2O_7微米片,并对其电化学性能进行了初步探讨。 采用改进的溶剂热方法制备得到了Si纳米空心球,并开展了其电化学性能研究。实验发现:Si纳米空心球结构能有效缓冲充放电过程中体积膨胀所产生的应力,提高了循环性能,在2000 mA/g电流密度下循环48周后,Si纳米空心球放电容量仍然达到1095 mAh/g,为锂二次电池性能的提升提供了实验基础。