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V_2O_5正极材料及其复合物的制备与研究

张勇  
【摘要】: 锂离子电池以其工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、“绿色”环保等众多优点备受人们关注。进一步提高电池性能和降低电极材料成本是锂离子电池发展和改进的主要方向。本文在详细评述了锂离子电池及其正极材料研究进展的基础上,选取V_2O_5为研究对象,对其合成和改性进行了详细研究。 本文从实验与理论分析相结合的角度对V_2O_5干凝胶(V_2O_5XRG)、V_2O_5类气凝胶(V_2O_5ARG-like)及V_2O_5/乙炔黑(AB)/Nd_2O_3复合材料制备过程中工艺参数、结构和形成机理等方面进行了系统深入的研究,并对四种不同类型的V_2O_5电极材料的电性能进行了系统测试,取得的主要结果如下: 采用超声波-熔融淬冷-溶胶-凝胶法制备非晶态V_2O_5(a-V_2O_5),在实验过程中,初步探讨了超声波的作用,指出了存在的问题与改进措施,研究了超声波的作用、作用强度和作用时间对产品质量的影响。结果表明,超声波在制备a-V_2O_5粉体中,具有促进形核,减少大颗粒的存在等优点。 用正交实验研究了煅烧温度、煅烧时间、去离子水与晶态V_2O_5(c-V_2O_5)的浓度比和陈化时间对合成a-V_2O_5的影响,讨论了这些参数间的交互作用,并获得了最优试验参数,以该最优试验参数所制备的a-V_2O_5为可充锂电池正极的实验电池,具有较大的放电比容量和较好的循环寿命。 以氧气-熔融淬冷法制备V_2O_5XRG,并详细研究了V_2O_5熔体淬水成胶机理。在V_2O_5熔融时运用氧气顶吹工艺这一思路,目的是增加熔体表面的氧分压,减少熔体的氧缺损,使V_2O_5XRG的V~(5+)离子含量更高,电化学性能更好,结果表明该法制备V_2O_5XRG无疑是可行的。 通过电化学阻抗(EIS)详细研究了锂离子嵌入V_2O_5XRG的电极反应过程。按电极反应机理建立了锂离子嵌入V_2O_5XRG电极的等效电路,并用复合非线性最小二乘法(CNLS)拟合了不同电位下的电化学阻抗谱。实验结果表明该阻抗谱由高、中频区的两个圆弧和低频区的一条直线组成。高频区的圆弧对应于锂离子在V_2O_5XRG表面的吸附反应,中频区的圆弧对应于V_2O_5XRG/电解质界面的电荷转移反应,低频区与横轴成45°角的直线表示锂离子在V_2O_5XRG中的扩散反应。 研究了多步有机溶剂交换法制备V_2O_5ARG-like可充锂电池正极材料,以所制备的样品作为正极材料,金属锂为负极组装了纽扣电池。TEM、比


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