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钒—基纳米材料或纳米复合材料用作锂电池正极的性能研究

潘安强  
【摘要】:本论文的研究目标是合成电化学性能优异的锂电池正极材料。通过纳米技术制得的钒-基纳米颗粒或纳米复合材料,具有杰出的电化学性能:如高比容量、良好的循环稳定性和倍率性能等。本论文的研究工作主要围绕以下3个部分展开:(Ⅰ)V2O5/炭纳米复合材料和V205纳米颗粒的合成及其电化学性能测试;(Ⅱ)棒状和层状LiV3O8纳米颗粒的合成及其电化学性能测试;(Ⅲ)Li3V2(PO4)3/炭纳米复合材料和Li3V2(PO4)3纳米带的合成表征及其电化学性能测试。通过以上研究,获得以下主要结论: (1)V205电化学沉积到多孔炭骨架表面,可成功合成V2O5-nH2O-多孔炭(carbon cryogel)复合材料。该材料比V205薄膜电极比放电容量更高,循环稳定性更好。在100mAg-1的电流密度下放电,纳米复合材料可获得280 mAh g-1的比放电容量。在不同的电流密度下测试,该材料都具有很好的循环稳定性。这说明本论文报道的V2O5·nH2O-多孔炭复合材料具有更好的嵌锂性能。 (2)V205和草酸反应得到VOC2O4-nH2O前驱体,热分解可制得V205纳米颗粒。合成的纳米棒状颗粒形貌均匀,颗粒之间有较大空隙。电化学测试结果表明V205纳米电极材料具有相当于商业化的V205微米颗粒3倍的比放电容量。通过调节导电炭在电极制备过程中的含量和原始反应试剂的摩尔比,V205电极材料的电化学性能可得到优化。在C/2放电,棒状V205纳米材料可得到270 mAh g-1比放电容量,并呈现出良好的循环稳定性,单周容量损失仅为0.32%。即使在4C放电(完成一次放电1/4小时),仍然能够得到198 mAh g-1的比放电容量。 (3)研究了无模板辅助、低温合成的LiV3O8棒状纳米颗粒的电化学性能。低温合成的纳米棒直径在30nm到150nm之间。TEM分析结果揭示了纳米棒结构内部有堆叠的缺陷。在100mAg-1和1Ag-1电流密度下放电时,该电极材料分别可获得320 mAh g-1和239mAh g-1的比放电容量,单周容量损失仅为0.23%,非常稳定。该比放电容量是传统高温方法合成的LiV3O8材料的2-3倍,倍率性能在已报道的LiV3O8电极材料中也是最好的。该杰出的电化学性能归因于纳米尺寸的直径和纳米棒的内部结构缺陷。 (4)首次合成了层片形貌的LiV3O8纳米颗粒,并测试了其电化学性能。将聚乙二醇作为结构改变剂加入到前驱体溶液中,可得到纳米片形貌的LiV3O8。该方法得到LiV3O8晶体材料具有非常优越的循环稳定性和比放电容量。在100mAg-1的电流密度下放电,其比放电容量可达到260 mAh g-1,并且保持100%的容量。该杰出的电化学性能归因于LiV3O8新颖的纳米片形貌。 (5)将Li3V2(PO4)3的前驱体溶液渗入到炭多孔结构中,高温煅烧可制得Li3V2(PO4)3/C纳米复合材料。合成的Li3V2(PO4)3纳米颗粒直径50 nm,在多孔炭基体中分布均匀。在3-4.3 V电压范围内,1C倍率放电下,复合材料的可逆比容量为122mAhg-1。即使在32 C高倍率放电时,仍然可获得83 mAh g-1的比放电容量。该倍率性能对Li3V2(PO4)3材料来说是最好的。其杰出的电化学性能是因为多孔炭在合成过程中很好地限制了Li3V2(PO4)3纳米颗粒的长大,与活性材料接触紧密也提高了材料的导电性。 (6)结合固相反应和自组装的优势,在熔融的有机气氛中通过单步固相反应成功地合成了独特纳米带形貌的Li3V2(PO4)3。该纳米带厚度大约为50nm,宽度为200nm。纳米带沿着不同方向生长,使得整个电极材料形成多孔的结构。在3.0和4.3V的电压范围内,即使以1C的倍率放电,Li3V2(PO4)3纳米带正极材料仍然可获得131 mAh g-1的比放电容量(非常接近132 mAh g-1的理论容量),同时该材料也具有很好的循环稳定性。其良好的电化学性能归结为:(a)纳米尺寸的厚度缩短了锂离子扩散和电子的传输距离;(b)多孔结构有利于电解液的渗透,也增加了电极材料与电解液的接触面积;(c)油酸高温分解产生的炭提高了材料的导电性。


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