锂离子电池正极材料磷酸钒锂的制备及在水性电解液中的性能研究

摘要

传统的锂离子电池（油性电解液）虽然有很多优点，但它仍有不可克服的安全问题，以至于限制了它在电动车中广泛应用。而水性锂离子电池（水性电解液）不但克服了安全问题，而且它还具有对环境友好，制备简单，花费低，对设备要求低等优点，被认为可成为未来一种新型化学电源之一。由于水的理论分解电压较低，因此，在选择正极材料应用于水性锂离子电池时，需要选择它的充放电平台在水不被分解的电压范围之类，而且作为水性锂离子电池正极材料在电池中有着重要的地位。
　　本论文以介绍锂电池的原理为开端，阐述了已经应用于水性锂离子电池的一些正负极材料，并以新型正极材料作为水性锂离子电池的研究目标，采用物理表征和电化学表征这两种表征手段来研究其正极材料在水性锂离子电池中的电化学性能。
　　第一，用柠檬酸为螯合剂，通过溶胶-凝胶法制备 Li3V2(PO4)3正极材料。在700℃下煅烧得到Li3V2(PO4)3。分别在饱和硝酸锂和饱和硫酸锂电解液中研究其电化学性能。结果表明，该材料在水性与油性电解液中的脱嵌锂的机理相似，在硝酸锂中的电化学性能优于其在硫酸锂中的性能，在1C、2C和5C倍率下的首次放电比容量为103.5 mAh·g-1、100.2 mAh·g-1和93.4 mAh·g-1（理论比容量为133 mAh·g-1）。30次循环以后，其容量保持率分别为80.6％、81.0％和79.8％。
　　第二，对Li3V2(PO4)3进行TiO2包覆来改善其电化学性能。对Li3V2(PO4)3包覆不同量的TiO2（2％，3％和4％），研究其在饱和LiNO3电解液中的电化学性能。研究结果显示，包覆TiO2之后的Li3V2(PO4)3在水系电解液中的循环及倍率性能有很大的提高，且包覆3％TiO2表现出的电化学性能最佳。Li3V2(PO4)3/3％TiO2样品在倍率为1C、5C、10C及20C的情况下的首次放电容量分别为105.5 mAh·g-1、99.8 mAh·g-1、93.4 mAh·g-1及81.3 mAh·g-1；50次循环后，放电比容量保持率分别为77.9％，79.6％，78.1％及84.6％。
　　第三，通过两步法合成复合正极材料Li3V2(PO4)3-LiFePO4。先用湿化学过程合成FeVO4·xH2O，再通过固相法合成Li3V2(PO4)3-LiFePO4。在700℃下煅烧得到的Li3V2(PO4)3-LiFePO4分别在5 M、7M和饱和LiNO3水性电解液中进行电化学性能研究，结果表明，在饱和 LiNO3中电化学性能最佳。在1C、2C、5C及10C倍率下，Li3V2(PO4)3-LiFePO4在饱和 LiNO3中首次放电容量分别为118.0mAh·g-1、112.3 mAh·g-1、109.0 mAh·g-1及90.0 mAh·g-1，放电比容量保持率分别为67.9％，68.6％，67.2％及80.4％。

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第1章 绪 论

1.1 锂离子电池的发展

1.2 水性锂离子电池

1.3 水性锂离子电池的研究进展

1.4 水性锂离子电池存在问题及改进方法

1.5 本论文研究内容和研究意义

第2章 试验试剂、仪器及材料表征方法

2.1 化学试剂和材料

2.2 实验仪器

2.3 材料表征、测试及仪器

第3章 Li3V2(PO4)3的合成及在不同水性电解液中的电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 TiO2包覆Li3V2(PO4)3在水性电解液中的电化学性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 Li3V2(PO4)3-LiFePO4的合成以及在水性电解液下的电化学研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士期间公开发表的科研成果