钒酸锂/导电聚合物复合正极材料的制备及性能研究

摘要

由于具备较高的工作电压、较大的比容量和较长的循环寿命，锂离子电池受到了人们的广泛关注。层状LiV3O8正极材料因其具有较高的充放电比容量、较低的生产成本、较好的结构稳定性和优异的安全性能等优点，成为一种很有前景的正极材料。但是，在充放电过程中可能会有少量LiV3O8材料在电解液中发生溶解，并且发生相应的相转变反应，所以纯的LiV3O8材料在充放电过程中表现出较差的倍率性能和严重的容量衰减，从而限制了其实际应用。本论文对锂离子电池正极材料LiV3O8进行了改性研究，首先通过经典的溶胶-凝胶法合成出单斜晶LiV3O8材料，然后分别与聚苯胺(PANI)和聚噻吩(PTh)两种导电聚合物结合制备出复合材料，并分别对两种复合材料的物理性质以及电化学性能进行了系统深入的研究。
　　首先，通过H2O2溶胶-凝胶法制备LiV3O8，再将苯胺单体加入到LiV3O8材料的溶液中，苯胺经化学催化氧化聚合成聚苯胺(PANI)。分别使用恒电流充放电测试、循环伏安、交流阻抗和恒电流间歇滴定等方法对LiV3O8/PANI复合材料电化学性能进行分析。结果证明，LiV3O8/PANI复合材料相对于纯的LiV3O8材料具有更好的循环性能和倍率性能。在1 C的电流密度下，LiV3O8/PANI复合材料的首次放电容量为197.0 mAh/g，第30次循环时为208 mAh/g，55次循环之后还剩余201.6 mAh/g。而在3 C的电流密度下，LiV3O8/PANI复合材料的首次放电容量为165.4 mAh/g，55次循环之后为135.2 mAh/g。复合材料的电化学性能有了显著提高，这可能是由于加入PANI之后形成了导电网络结构，并且在复合材料中有LiV3O8结晶区域和PANI无定型区域的共存，从而改善了复合材料的电导率及锂离子扩散系数。
　　使用溶胶-凝胶法制备的LiV3O8作为前驱体，通过原位氧化聚合法成功制备出LiV3O8/PTh复合材料。对LiV3O8/PTh复合材料的微观形貌进行分析，发现LiV3O8材料表面包覆了一层3~5 nm的PTh层。PTh包覆层可以抑制LiV3O8颗粒的团聚并且在LiV3O8颗粒之间形成导电结构，从而使LiV3O8颗粒可以从各个方向获得电子。LiV3O8/PTh复合材料相对于纯的LiV3O8材料具有较好的电化学性能，在1 C和3 C的电流密度下，首次放电比容量分别为213.3 mAh/g和200.3 mAh/g，50次循环之后，容量分别下降到216.7 mAh/g和197.9 mAh/g。LiV3O8/PTh复合材料具有更好的电化学性能，这可能是由于PTh包覆层增加了导电性、降低了电荷转移阻抗并改善了锂离子扩散系数。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简述

1.3 锂离子电池正极材料发展概述

1.4层状LiV3O8正极材料的研究进展

1.5 本课题主要研究内容及其选题意义

第2章 实验仪器、药品以及实验方法

2.1实验仪器设备和化学试剂

2.2 电极材料的物理性质分析

2.3 电极材料的电化学性能分析

第3章 LiV3O8/PANI复合材料的制备和性能研究

3.1 引言

3.2 LiV3O8/PANI复合材料的制备

3.3 LiV3O8/PANI复合材料的结构分析和形貌特性

3.4 LiV3O8/PANI复合材料的电化学性能分析

3.5 本章小结

第4章 LiV3O8/PTh复合材料的制备和性能研究

4.1 引言

4.2 LiV3O8/PTh复合材料的制备

4.3 LiV3O8/PTh复合材料的结构分析和形貌特性

4.4 LiV3O8/PTh复合材料的电化学性能分析

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

硕士期间公开发表的论文