锂（钠）钒氧化合物的制备及其锂离子电池性能研究

摘要

锂离子电池由于具有能量密度大、工作电压高、循环寿命长等优点，得到了广泛的研究。正极材料是锂离子电池的重要组成部分之一，在很大程度上决定了锂离子电池的主要性能。目前主要研究的正极材料有层状结构的 LiMO2（M=V、Mn、Ni、Co等过渡金属元素）和尖晶石型结构的 LiM2O4材料。目前研究的正极材料中，LiCoO2的成本较高，LiNiO2材料的制备很困难，LixMn2O4在循环过程中容量的衰减很大。而钒氧化合物类正极材料因其更高的比容量、价格低廉、易合成等特点，受到了研究者的广泛关注，被认为是最具有发展前景的锂离子电池的正极材料之一。
　　本文主要对各种钒氧化物的形成机理、制备工艺、材料改性等方面进行了系统深入的研究，具体工作和结果如下：
　　（1）采用间苯二酚-福尔马林辅助溶胶-凝胶法制备350℃、400℃、450℃以及500℃煅烧温度下的 LiVO3化合物（记为 LVO-350，LVO-400，LVO-450和LVO-500)，探究了LiVO3的嵌锂机制。X射线衍射、透射电子显微镜等分析表明LiVO3中的 V5+/V4+氧化还原对发生了脱嵌锂反应，且这一反应经历了连续的结构转变：在锂离子嵌入后，由单斜 LiVO3转变成立方 Li2VO3，锂化的 Li2VO3继而又转变为更稳定的相，这个相与单斜 LiV3O8晶体结构相吻合。
　　（2）采用间苯二酚-福尔马林辅助溶胶-凝胶法制备了 LixNa2-xV2O6（x=2,1.4,1,0）化合物，探究了钠元素掺杂 LiVO3正极材料对其电化学性能的影响。XRD结果表明 Na元素成功掺入进 LiVO3中，材料的晶胞参数发生微小的变化，导致晶面的层间距扩大，为锂离子脱嵌提供了良好的通道。电化学测试结果表明， LiNaV2O6正极材料在电流密度为0.5 C，经过100圈循环后，其比容量仍保持在193 mAh g-1。在不同钠掺杂量的锂钒氧化物中，LiNaV2O6在不同倍率下的容量保持率最高，具有最大的锂离子扩散系数。因此，LiNaV2O6被认为是最优化的 Na掺杂 LiVO3电极材料。
　　（3）采用模板法合成了厚度为50-200 nm，长度为1-3μm，宽度为0.2-1μm的NaV3O8纳米片。该材料用作锂离子电池正极时具有高达230 mAh g?1的可逆容量，且循环200次后容量保持率仍有93.4％。同时，在6.4 A g-1（~21.3 C）的大电流密度下，电极材料的可逆容量仍保持在50%以上。NaV3O8纳米片表现出优异的电化学性能是由于其具有良好的结构稳定性能和较大的锂离子扩散系数。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 锂离子电池正极材料概述

1.4 钒氧系正极材料

1.5 本课题选择的意义和内容

第2章 LiVO3的制备及其锂离子电池的嵌锂机制研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 新型LixNa2-xV2O6 (x=2, 1.4, 1, 0)正极材料的制备及锂离子电池性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 NaV3O8纳米片的制备及其锂离子电池性能研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢