鋰離子電池釩氧化合物與磷酸釩鋰復(fù)合正極的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源和能源日漸短缺，綠色能源已成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略選擇。高能鋰離子電池作為一種新型儲(chǔ)能器件，因其優(yōu)異的能量密度、工作電壓和良好的循環(huán)壽命而成為各國(guó)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。正極材料是鋰離子電池的核心部件，也是決定其性能的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)制備高性能的鋰電正極材料對(duì)發(fā)展新一代兼具高能量密度和高功率密度的鋰離子電池具有決定性作用。在眾多的正極材料中，單斜晶體結(jié)構(gòu)的Li3V2(PO4)3具有循環(huán)性能優(yōu)異，倍率性能好，

2、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但較低的放電比容量(133 mAh g-1，3-4.3 V/197 mAhg-1，3-4.8 V)限制了其實(shí)際應(yīng)用。與此同時(shí)，鋰釩氧化合物(LiVO2，LiVO3，LiV2O5，LiV3O8等)具有比容量高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但在循環(huán)過程中其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，容量衰減較快，無法滿足應(yīng)用需求。為獲得兼具高比容量和高循環(huán)壽命的優(yōu)異正極材料，本文首次嘗試將鋰釩氧化合物與Li3V2(PO4)3進(jìn)行有機(jī)復(fù)合(本文著重研究LiV3O8

3、+Li3V2(PO4)3)，利用其協(xié)同效應(yīng)相互改性，取長(zhǎng)補(bǔ)短，設(shè)計(jì)制備高性能的鋰釩氧化合物+Li3V2(PO4)3鋰離子電池復(fù)合正極材料，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)采用溶膠凝膠輔助溶劑熱的方法設(shè)計(jì)制備了新型0.6Li3V2(PO4)3·0.4Li-V-O復(fù)合正極材料。研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料由Li3V2(PO4)3和Li-V-O(LiV2O5，VO2)組成，其微觀形貌為納米片和分散在納米片上的不規(guī)則顆粒。電化學(xué)測(cè)試表明該復(fù)合材料具有

4、明顯強(qiáng)化的容量和循環(huán)性能。2.0-4.3 V電壓范圍內(nèi)的首次放電容量為149.2mAh g-1，高于未改性的Li3V2(PO4)3，同時(shí)該復(fù)合材料具有良好的倍率性能和更快的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)（10-9.5-10-7.5 cm2 s-1）。
　　(2)發(fā)展了溶膠凝膠、水熱和乙醇燃燒組合法，設(shè)計(jì)制備了2Li3V2(PO4)3· LiV3O8復(fù)合正極材料。相比于單一的Li3V2(PO4)3和LiV3O8，該復(fù)合正極材料表現(xiàn)出更為優(yōu)異的綜合電

5、化學(xué)性能。在2.0-4.3V內(nèi)，2Li3V2(PO4)3· LiV3O8的首次放電容量為162.8mAh g-1。同時(shí)其具有良好的倍率循環(huán)性能，經(jīng)過100次循環(huán)后，容量保持率高達(dá)92.6％。研究表明其特殊的微觀結(jié)構(gòu)（納米片和納米棒）可有效促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移速率并增大Li+擴(kuò)散路徑和電解液接觸面積，從而改善了材料的循環(huán)性能。
　　(3)采用機(jī)械混合法實(shí)現(xiàn)具有不同組分配比的Li3V2(PO4)3/rGO和LiV3O8復(fù)合正極材料。按照不同比

6、例混合，制備出一系列復(fù)合材料xLiV3O8·yLi3V2(PO4)3/rGO(x∶y=2∶1，3∶1，1∶1，1∶2，1∶3)。系統(tǒng)研究對(duì)比了不同比例復(fù)合材料的電化學(xué)性能。結(jié)果表明當(dāng)x∶y=2∶1時(shí)，該2LVO·LVP/rGO擁有最優(yōu)的電化學(xué)性能，主要?dú)w因于該配比具有更好的離電子傳輸通道和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。GITT測(cè)試計(jì)算得到其鋰離子擴(kuò)散系數(shù)(DLi+)范圍為10-11.5-10-9.5 cm2 s-1，高于單相LVP/rGO和LVO的鋰離子