性 状：

褐色 锂电池正极

上海紫一试剂厂专注电池类新材料的开发
高性能锂离子电池正极材料LiV_3O_8的制备及其电化学性能研究
钒酸锂(Li V3O8)作为锂离子电池的正极材料,因为其具有较大的比容量、低廉的价格等优点,引起科研人员的广泛研究。但是,目前的Li V3O8材料仍然存在着一些问题(比如较差的稳定性、较低的固有电导率等),这在很大程度上对在锂离子电池中的进一步应用起到了限制的作用。随着锂离子电池的进一步发展,对其能量密度和功率密度提出了更高的要求,因此应该对Li V3O8材料进行改性来提高其倍率能力与循环性能。本文依据Li V3O8材料自身存在的问题,采用新型策略构筑四种复合结构电极材料。接下去,对合成样品的多种性质进行深入系统的研究,本文利用XRD(X射线衍射分析)、TEM(透射电子显微镜观察)、SEM(扫描电子显微镜观察)、EIS(电化学阻抗谱)、DC(充放电测试)等多种先进的测试手段。采用水热合成法成功制备了Li V3O8纳米颗粒,电极材料纳米化可以缩短锂离子扩散需要经过的路程,但是与此同时,纳米化的Li V3O8材料具有大的比表面积会导致不利的副反应增多(包括活性物质的溶解等),将在很大程度上影响到电池的循环稳定性。因此,采用层层自组装的方法在已制备的Li V3O8纳米颗粒表面均匀的包覆了一层超薄的Al2O3包覆层,包覆层的厚度在1.7 nm左右。这种超薄的包覆层不仅可以避免引入过多的欧姆电阻,而且还可以均匀的和连续的去保护电极材料表面和电解液的接触。作为锂离子电池正极材料,Li V3O8/Al2O3复合材料展现了优异的循环性稳定性,其在1 C放电倍率下的容量为218 m A h g-1,循环200周后容量仍保持为192 m A h g-1,容量保持高达88.1%。此外,为了进一步分析复合材料电化学性能改善的原因,本文进行了EIS的系统分析,分析电化学性能得到改善的主要原因是有效地缓解了活性物质与电解液间副反应的发生。采用两步法原位合成钒酸锂纳米棒/石墨烯复合物。钒酸锂晶粒呈现棒状结构,结晶度较好,粒径主要分布在长为200-300 nm,直径为10-20 nm,且粒径分布均匀。这种结构具有以下两个优势:第一,纳米棒状结构可以缩短锂离子扩散需要经过的路程,有利于材料电化学性能的提高。第二,石墨烯构成了一个互相连通的三维结构,这样可以保证钒酸锂纳米颗粒和石墨烯的充分接触,有效的改善了其复合材料的导电性,增强了电极材料的大电流充放电能力。因此,所制备的钒酸锂纳米棒/石墨烯复合材料表现出优异的电化学性能,尤其是在0.3 C、1 C、3 C和5 C不同倍率下的放电比容量分别达到251 m A h g-1、215哈尔滨工业大学工学博士学位论文m A h g-1、165 m A h g-1和98 m A h g-1。此外,对改性材料电化学性能提升内在原因进行了深入的分析。本实验设计了一个全新的复合策略,基于空间限域的复合思想,利用氧化石墨烯的油水两亲性构建一个稳定的微乳液体系中,运用碰撞原理合成高分散Li V3O8纳米颗粒/石墨烯的复合结构。SEM和TEM测试表明,所获得Li V3O8纳米颗粒/石墨烯复合材料具有高分散、结合牢固、分布均匀等特点,Li V3O8纳米颗粒尺寸约为10 nm。作为锂离子电池正极材料表现出优越的倍率性能和循环性能,Li V3O8纳米颗粒/石墨烯复合材料在0.3 C、1 C、3 C、5 C和10 C的容量分别为252.3 m A h g-1、204.6 m A h g-1、175.3 m A h g-1、128.5 m A h g-1和90.3 m A h g-1。同时在10 C倍率下进行循环性能测试,Li V3O8纳米颗粒/石墨烯*放电比容量为99.4 m A h g-1,循环200周后容量仍保持为90.5 m A h g-1。此外,以LVO NPs-GNs为正极材料、TO NPs-GNs为负极材料组装成全电池,对其电化学性能进行测试,表现出了优异的高倍率循环稳定性。集流体选用泡沫镍代替了以往传统方式中使用的铝箔,在泡沫镍表面上通过静电自组装的方法制备石墨烯和钒酸锂的复合物,制备出钒酸锂/石墨烯/泡沫镍多层复合电极,并表现出了良好的电化学性能,在不同倍率0.3 C,1 C,3 C,10 C,20 C和30 C下的放电容量分别为265 m A h g-1,221 m A h g-1,187 m A h g-1,122 m A h g-1,91 m A h g-1和58 m A h g-1。其次,在此基础上,为了进一步提高三维电极材料的能量密度,需要寻找一种超轻质量的三维集流体代替金属集流体,因此,采用静电自组装的方法合成了超轻的三维氧化石墨烯泡沫结构,并充当三维集流体采用水热方法原位生长钒酸锂作为正极,并表现出了优异的电化学性能。在50 C的高倍率条件下(1.2 min内充放电),放电比容量依然可获得67 m A h g-1。此外,在大倍率10 C下,充放电循环300个周期后容量保持率高达95.5%,表明该材料具有优异的循环稳定性。

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