鋰離子電池釩基正極材料的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著化石能源的迅速消耗和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們對(duì)可再生能源的有效利用給予了越來(lái)越多的關(guān)注，對(duì)能量?jī)?chǔ)存體系提出了越來(lái)越高的要求。與傳統(tǒng)電池相比，鋰離子電池?fù)碛心芰棵芏雀摺⒀h(huán)性能優(yōu)良、荷電保持力強(qiáng)、工作電壓高、無(wú)記憶效應(yīng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于便攜式電子器件領(lǐng)域。鋰離子電池是可再生能源、電動(dòng)汽車和航空航天器件的理想的儲(chǔ)能器件，但是隨著設(shè)計(jì)與輕量化材料的不斷升級(jí)改進(jìn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)逐漸成為制約整個(gè)先進(jìn)電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。

2、因此，鋰離子電池的性能有待進(jìn)一步提高。而鋰離子電池能量密度的提升在很大程度上取決于正極材料的比容量。研究一種具有高比容量、優(yōu)良的倍率性能，同時(shí)能夠用于能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)系統(tǒng)循環(huán)性的新型鋰離子正極材料，是當(dāng)前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。釩基正極材料，諸如 V2O5、LiV3O8、VO2(B)和 Li3V2(PO4)3，都可以嵌入多個(gè) Li+，具有較高的理論比容量，并且具有理想的八面體和三角雙錐結(jié)構(gòu)，允許鋰離子的可逆嵌入/脫出，并保持材料晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定

3、。然而，這些釩基正極材料具有鋰離子擴(kuò)散緩慢和導(dǎo)電性差的缺陷，影響其倍率性能。另外，充放電過程中微觀結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性會(huì)使釩基材料的實(shí)際比容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論比容量，循環(huán)穩(wěn)定性較差?，F(xiàn)階段，材料納米化可以有效縮短鋰離子在電化學(xué)循環(huán)過程中的擴(kuò)散距離，提高倍率性能。釩基材料的表面修飾可以改善材料的導(dǎo)電性，提高材料倍率性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本文圍繞釩基正極材料的制備及復(fù)合改性開展研究，以其獲得性能優(yōu)異的鋰離子電池正極材料，主要內(nèi)容如下：
　?。?）首

4、先利用水熱法制備 LiV3O8納米片，然后利用靜電相互作用原理，通過片-層自組裝的設(shè)計(jì)，制備出石墨烯層組裝 LiV3O8納米片的片層復(fù)合材料——GNS/LiV3O8電極材料。石墨烯和 LiV3O8納米片的片-層包自組裝后，材料維持了 LiV3O8納米片的晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高了材料的比表面積、化學(xué)穩(wěn)定性、鋰離子傳輸效率和導(dǎo)電性。在最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)比例下，復(fù)合材料在1.8-4V電壓范圍內(nèi)，在1.0 A電流密度下，首次放電比容量達(dá)到325.2 mAh

5、/g，循環(huán)充放電100圈后，放電比容量也有287.2 mAh/g，100圈后的容量達(dá)到了初始容量的88.3%，循環(huán)充放電300圈后，平均每充放電循環(huán)一次，電池比容量?jī)H衰減初始比容量的0.09%，并且鋰離子電池在充放電過程中一直保存著2.25 V、2.43 V、2.74 V、3.37 V、3.61 V等穩(wěn)定的放電平臺(tái)。在5.0 A電流密度下，首次循環(huán)放電比容量為230.9 mAh/g，電池循環(huán)充放電100圈后，放電比容量也保持225.5m

6、Ah/g，100圈后的比容量達(dá)到了初始比容量的98%。GNS/LiV3O8復(fù)合材料在大電流充放電的情況下，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。
　?。?）通過一步水熱法，在石墨烯碳膜上原位生長(zhǎng)出LiVO納米片材料——LiVO/C復(fù)合材料。經(jīng)過XRD、SEM、TEM等表征手段，確定該LiVO/C納米片復(fù)合材料的物相組成是LiV3O8/Li0.3V2O5/C。碳膜的存在提高了釩基復(fù)合材料的導(dǎo)電性和晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，LiVO/C納米片復(fù)合材料展現(xiàn)了