锂离子电池正极材料LiV_3O_8的制备及电化学性能研究

【摘要】当前市场上流行的手机、笔记本、纯电动汽车等的发展极大地促进了锂离子电池的发展。然而正极材料的发展一直是锂离子电池发展的一个瓶颈。单斜LiV3O8具有优良的嵌锂性能,其作为锂离子电池正极材料使用时具有比容量高、易制备和成本低等优点,但其电化学性能受制备方法影响显著,而且循环过程中容量衰减较快。为改善LiV3O8的电化学性能,本文主要采用形貌控制和表面包覆的手段对其进行改性研究,主要研究内容及结果如下：(1)采用乙二醇辅助的溶胶凝胶法制备出饼干片状LiV3O8材料。比较不同温度下制备的LiV3O8,发现550℃下制备的LiV3O8具有最优的电化学性能。在50mAg-1,2.0-4.0V电压范围内的首次放电容量为255.2mAhg-1,循环50次后的容量保持率高达90.2%,而且该材料还具有较好的倍率性能。ICP测试研究表明电极经过100次循环后其电解液中溶解的V离子很少,说明其具有优良的电化学可逆性及结构稳定性。(2)采用聚丙烯酰胺(PAM)辅助的冷冻干燥法并在500℃烧结得到具有等级板片排列数组结构的LiV3O8材料。在1500和3000mAg-1的高电流密度下,该材料在2.0-4.0V的电压范围内经过200次循环后的放电容量高达133.7和111.8mAhg-1,在第15-200次循环中的容量保持率分别为99%和90%。电化学阻抗研究分析发现所合成的数组结构的LiV3O8材料在第3-180次循环间的阻抗均很小。其优异的电化学性能可归因于材料较高的结晶度和排列整齐的数组结构,研究表明这种特殊的结构可有效促进Li+的扩散和电荷转移,并使电解液得到快速渗透,极大地改善了材料的高倍率循环性能。(3)利用Al(NO3)3的热分解过程在所合成的LiV3O8表面成功包覆一层Al203。电化学测试结果表明包覆0.5wt.%的A1203的电极材料在不同充放电电流密度下均具有改善的电化学性能。在100mAg-1电流密度下,该材料在2.0-4.0V电压范围内的首次放电容量高达283.1mAhg-1,100次循环后其容量可保持为205.7mAhg-1;而在更高的电流密度下,包覆后的材料比未经包覆的材料同样表现出更好的循环稳定性。循环伏安(CV)测试表明包覆一定量的A1203可抑制电极反应中的不可逆相变,同时A1203包覆层可阻止活性材料与电解液的直接接触,减少金属V离子在电解液中的溶解,从而降低了电极材料的容量衰减。
【作者】黄森；
【导师】涂江平；
【作者基本信息】浙江大学，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】锂离子电池；钒酸锂；饼干状；板片排列形貌；氧化铝包覆；

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