高性能鋰離子電池正極材料LiV3O8的制備及其電化學性能研究.pdf

1、釩酸鋰（LiV3O8）作為鋰離子電池的正極材料，因為其具有較大的比容量、低廉的價格等優(yōu)點，引起科研人員的廣泛研究。但是，目前的LiV3O8材料仍然存在著一些問題（比如較差的穩(wěn)定性、較低的固有電導率等），這在很大程度上對在鋰離子電池中的進一步應用起到了限制的作用。隨著鋰離子電池的進一步發(fā)展，對其能量密度和功率密度提出了更高的要求，因此應該對 LiV3O8材料進行改性來提高其倍率能力與循環(huán)性能。本文依據(jù) LiV3O8材料自身存在的問題，采用

2、新型策略構筑四種復合結構電極材料。接下去，對合成樣品的多種性質進行深入系統(tǒng)的研究，本文利用XRD（X射線衍射分析）、TEM（透射電子顯微鏡觀察）、SEM（掃描電子顯微鏡觀察）、EIS（電化學阻抗譜）、DC（充放電測試）等多種先進的測試手段。
　　采用水熱合成法成功制備了LiV3O8納米顆粒，電極材料納米化可以縮短鋰離子擴散需要經(jīng)過的路程，但是與此同時，納米化的LiV3O8材料具有大的比表面積會導致不利的副反應增多（包括活性物質的溶

3、解等），將在很大程度上影響到電池的循環(huán)穩(wěn)定性。因此，采用層層自組裝的方法在已制備的LiV3O8納米顆粒表面均勻的包覆了一層超薄的Al2O3包覆層，包覆層的厚度在1.7 nm左右。這種超薄的包覆層不僅可以避免引入過多的歐姆電阻，而且還可以均勻的和連續(xù)的去保護電極材料表面和電解液的接觸。作為鋰離子電池正極材料，LiV3O8/Al2O3復合材料展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性穩(wěn)定性，其在1C放電倍率下的容量為218 mAh g-1，循環(huán)200周后容量仍保持

4、為192 mAh g-1，容量保持高達88.1％。此外，為了進一步分析復合材料電化學性能改善的原因，本文進行了EIS的系統(tǒng)分析，分析電化學性能得到改善的主要原因是有效地緩解了活性物質與電解液間副反應的發(fā)生。
　　采用兩步法原位合成釩酸鋰納米棒/石墨烯復合物。釩酸鋰晶粒呈現(xiàn)棒狀結構，結晶度較好，粒徑主要分布在長為200-300 nm，直徑為10-20 nm，且粒徑分布均勻。這種結構具有以下兩個優(yōu)勢：第一，納米棒狀結構可以縮短鋰離子擴

5、散需要經(jīng)過的路程，有利于材料電化學性能的提高。第二，石墨烯構成了一個互相連通的三維結構，這樣可以保證釩酸鋰納米顆粒和石墨烯的充分接觸，有效的改善了其復合材料的導電性，增強了電極材料的大電流充放電能力。因此，所制備的釩酸鋰納米棒/石墨烯復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，尤其是在0.3C、1C、3C和5 C不同倍率下的放電比容量分別達到251mAhg-1、215 mA h g-1、165 mA h g-1和98 mA h g-1。此外，對改性

6、材料電化學性能提升內在原因進行了深入的分析。
　　本實驗設計了一個全新的復合策略，基于空間限域的復合思想，利用氧化石墨烯的油水兩親性構建一個穩(wěn)定的微乳液體系中，運用碰撞原理合成高分散LiV3O8納米顆粒/石墨烯的復合結構。SEM和TEM測試表明，所獲得LiV3O8納米顆粒/石墨烯復合材料具有高分散、結合牢固、分布均勻等特點，LiV3O8納米顆粒尺寸約為10 nm。作為鋰離子電池正極材料表現(xiàn)出優(yōu)越的倍率性能和循環(huán)性能，LiV3O8納

7、米顆粒/石墨烯復合材料在0.3 C、1 C、3 C、5 C和10 C的容量分別為252.3 mA h g-1、204.6 mA h g-1、175.3 mA h g-1、128.5 mA h g-1和90.3 mA h g-1。同時在10 C倍率下進行循環(huán)性能測試，LiV3O8納米顆粒/石墨烯首次放電比容量為99.4mAhg-1，循環(huán)200周后容量仍保持為90.5 mAh g-1。此外，以LVO NPs-GNs為正極材料、TO NPs-

8、GNs為負極材料組裝成全電池，對其電化學性能進行測試，表現(xiàn)出了優(yōu)異的高倍率循環(huán)穩(wěn)定性。
　　集流體選用泡沫鎳代替了以往傳統(tǒng)方式中使用的鋁箔，在泡沫鎳表面上通過靜電自組裝的方法制備石墨烯和釩酸鋰的復合物，制備出釩酸鋰/石墨烯/泡沫鎳多層復合電極，并表現(xiàn)出了良好的電化學性能，在不同倍率0.3 C，1 C，3 C，10C，20C和30C下的放電容量分別為265 mAh g-1，221 mAh g-1，187 mAh g-1，122 mA

9、h g-1，91 mAh g-1和58 mAh g-1。其次，在此基礎上，為了進一步提高三維電極材料的能量密度，需要尋找一種超輕質量的三維集流體代替金屬集流體，因此，采用靜電自組裝的方法合成了超輕的三維氧化石墨烯泡沫結構，并充當三維集流體采用水熱方法原位生長釩酸鋰作為正極，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學性能。在50 C的高倍率條件下（1.2 min內充放電），放電比容量依然可獲得67 mAhg-1。此外，在大倍率10 C下，充放電循環(huán)300個周