锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3/rGO的合成及其电化学性能的研究

摘要

锂离子电池凭借其高能量密度和长寿命而被看作是最有效的能量储存系统之一。在目前已知的锂离子电池磷酸盐正极材料当中，磷酸钒锂(LVP)凭借最高的的理论比容量197 mAhg-1（在3-4.8 V的电压范围内）而被看作是很有潜力的锂离子电池正极材料。可是实际上，可以获得的磷酸钒锂的比容量都低于这一值。这是因为磷酸钒锂的电子电导率很低，很大程度限制了它的能量密度。最近研究发现，石墨烯具有良好的电导性和机械/电化学稳定性，当它与电化学活性物质混合时，可以提高电极材料的比容量和倍率性能。本论文，采用溶胶凝胶结合高温煅烧的方法制备了还原氧化石墨烯包覆磷酸钒锂的复合材料(LVP/rGO)，以及采用同样的方法合成了还原氧化石墨烯包覆Li3VO4复合材料(Li3VO4/rGO）。具体工作如下:
　　首先，采用溶胶凝胶结合高温煅烧的方法合成LVP。对制备的LVP进行了XRD及SEM表征，结果表明:该法合成的样品为单一相的LVP，颗粒大小约为400 nm。将LVP材料进行充放电测试，结果表明:在电压范围为2-4.2 V，电流密度为0.075C的条件下，材料的首次充、放电比容量为128.2/110.9 mAhg-1，库伦效率仅为86.5％。材料本身电子电导率低造成了其电化学性能差，钒的流失也影响了样品的循环性能。
　　为了改善LVP的电化学性能，通过溶胶凝胶-高温煅烧法合成了不同rGO含量的LVP/rGO复合物，其中rGO的含量分别为3％、7％、20％、30％。对制备的复合物材料进行了XRD、SEM表征，结果表明:随着rGO含量的增加，XRD特征峰在变宽变弱，LVP粒径也在变小。对合成的材料进行电化学性能测试，发现当LVP/rGO复合物中rGO的含量为7％时，在电流密度为0.075 C（1 C=132 mAhg-1）、电压范围为2～4.2 V，材料具有最佳的电化学性能，首次放电比容量为141.6 mAhg-1，库伦效率超过了100％，经50次循环以后，放电比容量仍高达139.8 mAhg-1（容量保留率为98.7％）。接着对LVP/rGO(7％)进行Raman、XPS测试，Raman图谱表明材料ID/IG强度较高的，说明rGO具有较高的紊乱程度。XPS测试表明，复合物中存在含氧基团。充放电过程中，rGO片不仅起到了阻止LVP颗粒团聚作用，还起到了储存锂离子作用。rGO良好的导电性能够增加充放电过程中的电子转移率，从而增强了LVP/rGO复合物的电化学性能。
　　其次，还介绍了一种新型锂离子电池负极材料Li3VO4，合成方法与前面提到的方法一样。尽管样品中钒是+5价，但是它仍然可以在还原性气氛(95％ N2+5％ H2)下和还原氧化石墨烯的存在下合成出来。样品通过XRD和SEM表征，可以得出:该法合成的Li3VO4/rGO和Li3VO4样品均是单一相的Li3VO4，且rGO的掺杂使得样品形貌更好，在700℃的温度下合成的样品晶型要比在650℃下好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池概况

1．2．1 锂离子电池发展史

1．2．2 锂离子电池的组成及结构

1．2．3 锂离子电池工作原理

1．2．4 锂离子电池的优点

1．3 锂离子电池正极材料研究进展

1．3．1 层状正极材料

1．3．2 尖晶石型正极材料

1．3．3 橄榄石型正极材料

1．3．4 单斜结构正极材料Li3V2(PO4)3

1．4 锂离子电池负极材料研究进展

1．4．1 碳类负极材料

1．4．2 Li3VO4负极材料

1．5 石墨烯在锂离子电池中的应用

1．5．1 石墨烯的研究进展

1．5．2 石墨烯的制备方法

1．6 本论文的选题背景和研究内容

第二章 实验仪器与方法

2．1 实验药品与仪器

2．2 材料的物理性能表征

2．3 材料的电化学性能测试

第三章 磷酸钒锂的合成与性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 Li3V2(PO4)3的制备

3．2．2 结构和电化学性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 Li3V2(PO4)3的物理性能分析

3．3．2 Li3V2(PO4)3的电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 Li3V2(PO4)a／rGO的制备与性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 氧化石墨的制备

4．2．2 Li3V2(PO4)3/rGO的制备

4．2．3 结构和电化学性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 LVP／rGO的物理性能分析

4．3．2 LVP／rGO的电化学性能分析

4．3 本章小结

第五章 Li3VO4／rGO的合成和性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 样品的制备

5．3 物理性能分析

5．3．1 XRD测试

5．3．2 SEM测试

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

硕士期间研究成果

致谢