掺钾、钠V2O5·nH2O薄膜电极的制备及性能研究

摘要

五氧化二钒（V2O5）因具有较高的电压和比容量、资源丰富、价格低廉等优点，成为锂离子电池电极材料的研究热点，但是偏低的导电率和较小的Li+扩散系数抑制了V2O5的发展。目前的研究发现，掺杂改性能够有效地改善V2O5的性能。本文采用溶胶凝胶法制备掺钠、掺钾 V2O5·nH2O薄膜电极，用扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）、电化学测试技术对掺钠、掺钾的V2O5·nH2O薄膜电极进行了研究。
　　SEM、XRD分析表明：掺钾或钠不会改变V2O5·nH2O薄膜的晶体结构，但是其非晶比例有所增加。从形貌上看，掺钾、掺钠能使 V2O5·nH2O薄膜孔隙结构增多，孔径增大。掺钾V2O5·nH2O薄膜是孔径为80-200nm的多孔蓬松结构，而掺钠V2O5·nH2O薄膜是孔径为300-800nm的“渔网”状结构。掺钾、掺钠都能增大V2O5·nH2O薄膜的比表面积，增多 Li+的脱/嵌通道，有利于提高 V2O5·nH2O薄膜的嵌锂比容量。
　　掺适量钾能使V2O5·nH2O薄膜电极的放电比容量增大，可逆性和循环性增强。随着掺钾量的增加，V2O5·nH2O薄膜电极的放电比容量呈现先增后减的趋势，最佳掺钾量为1.25%。随着电流密度的增加，所有 V2O5·nH2O薄膜电极放电比容量都将减少。但当电流密度由150 mA/g增至2500 mA/g（约17倍）时，未掺V2O5·nH2O薄膜的放电比容量减少了40%，掺钾的只减少30%；故掺钾能改善V2O5·nH2O薄膜电极的倍率性能。在1000 mAh/g的电流密度下，两种V2O5·nH2O薄膜电极首次放电比容量分别为170、223mAh/g，经过600次循环，每周期平均衰减率分别为0.11%、0.073%。而在2000 mA/g下，两者的首次放电比容量分别为163、187mAh/g，经过600次循环，每周期平均衰减率分别为0.1%、0.032%。
　　掺适量钠也能使 V2O5·nH2O薄膜的放电比容量增大，可逆性和循环性增强。随着掺钠量的增加，V2O5·nH2O薄膜的放电比容量呈现先增后减的趋势，最佳掺钠量为3%。当电流密度由500mA/g增至2500 mA/g（约5倍），未掺V2O5·nH2O薄膜的放电比容量减少了约25%，掺钠的只减少20%。而在1000 mAh/g、2000mAh/g时，其首次放电比容量高达245mAh/g、225mAh/g，经过600次循环，每周期平均衰减率分别为0.082%、0.07%。
　　总之，掺入适量钾或钠能增大V2O5·nH2O薄膜的比表面积，从而增大电极的嵌锂容量，改善其循环性能。但是，掺钠V2O5·nH2O薄膜电极的放电比容量高于掺钾V2O5·nH2O薄膜电极，所以，掺钠V2O5·nH2O薄膜电极具有更优的电化学性能。

目录

1 绪 论

1.1 锂离子电池

1.1.1 锂离子电池的发展历程

1.1.2 锂离子电池的基本原理

1.2 锂离子电池的电极材料

1.3 钒氧化物

1.3.1 晶态V2O5

1.3.2 非晶态V2O5

1.3.3 V2O5的改性

1.4 本课题研究的内容和意义

1.4.1 研究背景与思路

1.4.2 研究内容

1.4.3 研究意义

2 实验部分

2.1 实验材料与仪器

2.2 掺杂的V2O5·nH2O薄膜电极的制备

2.3 结构形貌表征

2.3.1 X-射线衍射

2.3.2 扫描电子显微镜

2.4 电化学性能测试

2.4.1 循环伏安

2.4.2 恒电流充放电

3 掺钾对V2O5·nH2O薄膜电极结构及电化学性能的影响

3.1 结构与形貌表征

3.2 电化学性能

3.2.1 循环伏安测试

3.2.2 恒电流充放电

3.2.3 掺杂量对V2O5·nH2O薄膜电极性能的影响

4 钠对V2O5·nH2O薄膜电极结构及电化学性能的影响

4.1 结构与形貌表征

4.2 电化学性能

4.2.1 循环伏安测试

4.2.2 恒电流充放电测试

4.2.3 掺杂量对V2O5·nH2O薄膜电化学性能的影响

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间取得的科研成果