LiV3O8、V2O5锂离子电池正极材料的制备及电化学性能研究

摘要

近年来，全球变暖、雾霾等恶劣的环境变化已经使人们强烈的意识到环境危机的严重性和清洁能源的必要性。因此，在众多清洁能源（太阳能、风能等）中，锂离子电池凭借其稳定的电化学性能、安全性、轻质及灵活设计性，已经被广泛的应用于便携式电子设备、电动车及大型电网等储能系统中。
　　作为锂离子电池正极材料，钒系（如LiV3O8、V2O5、NH4V3O8等）材料凭借其典型的层状结构，不仅可以应用于锂离子电池，也能够应用于超级电容器、催化等领域，具有广泛的应用前景。由于电极材料的制备工艺会影响其结构、尺寸及形貌，进而影响其电化学性能。因此，本论文通过调控不同工艺因素制备形貌可控的LiV3O8及V2O5，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)探究其物相、尺寸及形貌的关系;通过恒流充放电、循环伏安曲线(CV)及阻抗测试(EIS)探究其电化学性能。
　　(1)采用溶胶-凝胶法制备LiV3O8，探究不同热处理温度、热处理时间、不同的模板剂对产物物相、形貌及电化学性能的影响。发现提高热处理温度产物的结晶性增强、尺寸增加，产物由分散的颗粒状生长为板状;延长热处理时间产物的尺寸增加，并逐渐出现团聚现象。当以草酸为络合剂，锂钒物质的量之比为1.2∶3.0时，经过400℃热处理2h，制备出厚度约为100nm片状结构的LiV3O8。在30 mAg-1电流密度下，可逆放电比容量为237.5mAhg-1，50次循环后容量为162.9 mAh g-1。
　　(2)采用油浴法制备V2O5，以去离子水为溶剂，NH4VO3为反应原料。通过调节反应溶液pH实现对产物形貌的控制，分别制备出三维花球状、花球和片状自组装花瓣状的混合相及微米片状的V2O5。其中，调节反应溶液pH为3.0，90℃油浴反应2h后，经450℃热处理2h制备的微米片状V2O5。在1C条件下，可逆放电比容量为162.4mAhg-1，经50次循环后放电比容量可达159.2mAhg-1，容量保持率为98.0％。
　　(3)为进一步提高V2O5的放电比容量和倍率性能。采用有机醇辅助油浴法，制备纳米棒自组装海胆微球结构的V2O5;并通过研究前驱体的物相、形貌，推测海胆结构的形成机理。实验表明:通过控制反应溶液的浓度，有机醇的种类及热处理工艺，能够调控海胆球的尺寸、疏密程度及自组装纳米棒的直径。其中，以去离子水为溶剂，加入等体积的乙二醇，调节反应溶液的pH至2.0，经350℃热处理2h制备出结构疏松的海胆状V2O5。在1C条件下，可逆容量为231.6 mAh g-1，50次循环后容量保持率约94.4％(218.6mAhg-1)。其中，加入聚乙烯醇制得的产物，在低倍率下具有较高的放电比容量（0.1C∶318.0 mAh g-1;0.2C∶256.9 mAh g-1;0.5C∶227.3mAhg-1），而加入乙醇制备的产物在高倍率(5C)条件下具有较高的放电比容量(81.2mAhg-1)和循环稳定性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池概述

1．3 锂离子电池的组成和工作原理

1．4 电池锂离子正极材料介绍

1．5 钒基化合物概述

1．5．1 钒酸盐正极材料

1．5．2 钒氧化合物正极材料

1．6 钒基电极活性材料的制备方法

1．6．1 固相法

1．6．2 溶胶-凝胶法

1．6．3 沉淀法

1．6．4 水热合成法

1．6．5 静电纺丝法

1．6．6 喷雾热解法

1．7 活性材料的改性

1．7．1 纳米级的活性材料

1．7．2 三维结构的活性材料

1．7．3 复合活性材料

1．8 论文的选题依据、主要内容及创新点

1．8．1 选题依据

1．8．2 主要研究内容

1．8．3 创新点

2 实验方法

2．1 实验仪器

2．1．1 实验仪器及检测设备

2．1．2 实验用品

2．2 实验工艺流程

2．3 电池的组装

2．3．1 正极电极片的制备

2．3．2 电池的组装

2．4 电极材料的测试及表征

2．4．1 物相分析

2．4．2 微观结构分析

2．4．3 电化学分析

3 溶胶-凝胶法制备LiV3O8及电化学性能研究

3．1 引言

3．2 实验流程

3．3 不同工艺因素对LiV3O8物相、形貌及性能的影响

3．3．1 热处理温度的影响

3．3．2 热处理时间的影响

3．3．3 不同锂钒物质的量之比的影响

3．3．4 不同模板剂的影响

3．4 本章小结

4 油浴法制备低维V2O5及电化学性能研究

4．1 引言

4．2 实验流程

4．3 不同工艺因素对V2O5物相、形貌及性能的影响

4．3．1 反应温度的影响

4．3．2 热处理温度的影响

4．3．3 反应溶液pH的影响

4．4 本章小结

5 有机醇辅助油浴法制备三维结构V2O5及电化学性能研究

5．1 引言

5．2 实验流程

5．3 不同工艺因素对V2O5物相、形貌及性能的影响

5．3．1 热分解温度的影响

5．3．2 反应溶液浓度的影响

5．3．3 不同有机醇的影响

5．3．4 三维海胆微球的形成机理分析

5．4 本章小结

6 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利成果

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