新型锂离子电池负极材料Li3VO4电化学性能优化研究

摘要

Li3VO4是一种新型嵌入/脱嵌型负极材料，相比于商业化的石墨和Li4Ti5O12兼具高能量密度、高安全性能的优势，在锂离子电池中极具应用价值。然而，Li3VO4电子导电性较差，致使其电化学性能不理想，限制了其进一步的应用。本论文围绕增强Li3VO4导电性展开一系列改性研究工作，显著提升了其电化学性能。研究结论及成果如下：
　　通过原位沉积的方式制备了Li3VO4/NiO/Ni复合材料。研究结果表明：Li3VO4和NiO之间因具有相近的充放电电位有很好的电化学兼容性，在前几次循环过程中Li3VO4和NiO在形态和微观结构上协同演变，形成了稳定多孔的二次形貌。电化学测试表明，在70 mAg-1的电流密度下，Li3VO4/NiO/Ni电极材料首次充放电比容量分别为631和860 mAh g-1，100次循环后其充放电比容量仍能保持在604和612 mAh g-1，表现出优异的循环性能和容量保持率。
　　通过水热和固相烧结法将氮掺杂石墨烯和氮掺杂碳引入Li3VO4，制备了Li3VO4/氮掺杂石墨烯以及Li3VO4/氮掺杂碳复合材料，氮掺杂石墨烯和氮掺杂碳的引入显著改善了Li3VO4的电子导电性。电化学测试表明，Li3VO4/氮掺杂石墨烯电极以及Li3VO4/氮掺杂碳电极均表现出优异的电化学性能。
　　通过中间液相引碳的方式制备了Li3VO4与C在纳米尺度均匀复合的Li3VO4/C复合材料，首次获得了接近Li3VO4理论容量的稳定循环。研究结果表明：Li3VO4/C电极在前几次循环过程中通过电化学重构形成了Li3VO4纳米晶粒均匀镶嵌在C纳米片上二次结构，具有很高的储锂性能、很好的导电性以及结构稳定性。在150 mA g-1的电流密度下，首次充放电比容量分别为594和839 mAh g-1，经过300次循环后其充放电比容量分别均保持在549和550 mAh g-1；在2000 mA g-1电流密度下，首次充放电比容量分别为412和550 mAh g-1，经过1000次循环后充放电比容量分别为421和422 mAh g-1，容量基本无衰减，表现出优异电化学性能。
　　通过复合结构设计构筑了分等级多孔结构的Li3VO4/C-Ni复合材料，电化学测试表明：Li3VO4/C-Ni电极在10 C电流密度下，首次充放电比容量分别为265和315 mAh g-1，经过2000次循环后其充放电比容量均保持在325 mAh g-1，表现出优异的循环性能和容量保持率；同时，以Li3VO4/C-Ni复合材料作为负极，商业化的LiFePO4作为正极组装的全电池也表现出较好的电化学性能，在2C的电流密度下，首次放电比容量为307 mAh g-1，经过200次循环后放电比容量仍能分别保持在170 mAh g-1。优异的电化学性能源于其三维多孔的结构。

目录

声明

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 锂离子电池负极材料

1.4 新型Li3VO4负极材料

1.5 本论文的选题背景和研究内容

2.1 实验药品

2.2 实验设备

2.3 物理性能表征方法

2.4 电极片的制备与纽扣电池的组装

2.5 电化学性能测试

3.1 引言

3.2 Li3VO4/NiO/Ni复合材料的制备

3.3 Li3VO4/NiO/Ni复合材料的物相及微观形貌分析

3.4 Li3VO4/NiO/Ni复合材料的电化学性能研究

3.5 Li3VO4/NiO/Ni复合材料循环过程中微观形貌变化研究

3.6本章小结

4.1 引言

4.2 Li3VO4/氮掺杂石墨烯复合材料的制备

4.3 Li3VO4/氮掺杂石墨烯复合材料的物相及形貌分析

4.4 Li3VO4/氮掺杂石墨烯复合材料的电化学性能分析

4.5本章小结

5.1 引言

5.2 Li3VO4/氮掺杂碳复合材料的制备

5.3 Li3VO4/氮掺杂碳复合材料的物相及形貌分析

5.4 Li3VO4/氮掺杂碳复合材料的电化学性能分析

5.5本章小结

6.1 引言

6.2 Li3VO4/C-Ni复合材料的制备

6.3 Li3VO4/C-Ni复合材料的物相及形貌分析

6.4 Li3VO4/C-Ni复合材料的电化学性能分析

6.5本章小结

7.1 引言

7.2 Li3VO4/C复合材料的制备

7.3 Li3VO4/C复合材料的物相及形貌分析

7.4 Li3VO4/C复合材料的电化学性能分析

7.5本章小结

8.1 主要结论

8.2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著发表SCI论文：