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钒氧化物负极材料的制备及其储锂性能的研究

李萍  
【摘要】:智能纺织品是智能技术与服装融为一体的高科技产品,它结合了电子信息技术、传感器技术、纺织科学及材料科学等相关领域的前沿技术,其中储能器件在智能纺织品中占据重要位置。锂离子电池作为二次电池的重要组成部分,在智能纺织品中应用最为广泛。目前商业化的石墨负极理论容量低(仅有372 mAh/g)、倍率性能差,不能满足人们的需求。钒氧化物负极材料具有理论容量高(1070 mAh/g)、储量丰富等优点,引起了人们的广泛关注。但是,其首次循环库伦效率低、倍率性能差、循环不稳定的缺点仍然存在。通过构建纳米多孔结构、碳层包覆和元素掺杂相结合的方式,能够有效解决上述问题。本文结合氧化还原、水热等工艺制备了纳米多孔碳包覆V203以及铁掺杂钒氧化物(Fe-VxOy)负极材料,并研究其储锂性能,具体研究结果如下:以商业化的V2O5为原料,经过氢气还原和水热法制备出纳米多孔V2O3/C复合材料并测试电化学性能。与纯的V203相比,具有纳米碳包覆层的V2O3电极表现出更优异的电化学性能。在50 mA/g的电流密度下,初始放电比容量为453 mAh/g,经过250次循环测试,放电比容量为371 mAh/g,容量保持率为82%。在2000 mA/g的电流密度下,放电比容量为109.1 mAh/g。当电流恢复到50 mA/g时,放电比容量恢复到250 mAh/g,并保持良好的循环稳定性。复合材料表现出的优异的循环稳定性和倍率性能,其中纳米多孔结构与碳包覆层能够有效缓解脱嵌锂过程中的体积变化并且提供良好的电荷传输性能。通过熔炼甩带的方法制备出不同原子配比的FeV合金,经过氧化还原工艺获得纳米多孔结构的铁掺杂钒氧化物(Fe-VxOy)负极材料。当铁钒原子配比为30:70时,制备的纳米多孔Fe-VxOy负极材料表现出最优异的电化学性能。在100 mA/g电流密度下,初始放电比容量为828.9 mAh/g,经过150次循环后,放电比容量为726.4 mAh/g,容量保持率高达87.63%;在2000 mA/g电流密度下,可逆比容量为357.6 mAh/g,当电流密度恢复到50 mA/g时,可逆比容量恢复到595.2 mAh/g。Fe-VxOy表现出良好的电化学性能主要因为:纳米多孔结构设计结合导电元素铁的掺杂能够有效的抑制钒氧化物在循环过程中的体积变化,提高了材料的导电性和结构稳定性。


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