釩-基納米材料或納米復(fù)合材料用作鋰電池正極材料的性能研究.pdf

1、本論文的研究目標是合成電化學(xué)性能優(yōu)異的鋰電池正極材料。通過納米技術(shù)制得的釩-基納米顆?；蚣{米復(fù)合材料，具有杰出的電化學(xué)性能：如高比容量、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能等。本論文的研究工作主要圍繞以下3個部分展開：(Ⅰ)V2O5/炭納米復(fù)合材料和V2O5納米顆粒的合成及其電化學(xué)性能測試；(Ⅱ)棒狀和層狀LiV3O8納米顆粒的合成及其電化學(xué)性能測試；(Ⅲ)Li3V2(PO4)3/炭納米復(fù)合材料和Li3V2(PO4)3納米帶的合成表征及其電化學(xué)性

2、能測試。通過以上研究，獲得以下主要結(jié)論：
　　 (1)V2O5電化學(xué)沉積到多孔炭骨架表面，可成功合成V2O5·nH2O-多孔炭(carbon cryogel)復(fù)合材料。該材料比V2O5薄膜電極比放電容量更高，循環(huán)穩(wěn)定性更好。在100mA g-1的電流密度下放電，納米復(fù)合材料可獲得280 mAh g-1的比放電容量。在不同的電流密度下測試，該材料都具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性。這說明本論文報道的V2O5·nH2O-多孔炭復(fù)合材料具有更好的

3、嵌鋰性能。
　　 (2)V2O5和草酸反應(yīng)得到VOC2O4·nH2O前驅(qū)體，熱分解可制得V2O5納米顆粒。合成的納米棒狀顆粒形貌均勻，顆粒之間有較大空隙。電化學(xué)測試結(jié)果表明V2O5納米電極材料具有相當(dāng)于商業(yè)化的V2O5微米顆粒3倍的比放電容量。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)電炭在電極制備過程中的含量和原始反應(yīng)試劑的摩爾比，V2O5電極材料的電化學(xué)性能可得到優(yōu)化。在C/2放電，棒狀V2O5納米材料可得到270 mAh g-1比放電容量，并呈現(xiàn)出良好的

4、循環(huán)穩(wěn)定性，單周容量損失僅為0.32％。即使在4 C放電(完成一次放電1/4小時)，仍然能夠得到198 mAh g-1的比放電容量。
　　 (3)研究了無模板輔助、低溫合成的LiV3O8棒狀納米顆粒的電化學(xué)性能。低溫合成的納米棒直徑在30 nm到150 nm之間。TEM分析結(jié)果揭示了納米棒結(jié)構(gòu)內(nèi)部有堆疊的缺陷。在100 mA g-1和1A g-1電流密度下放電時，該電極材料分別可獲得320 mAh g-1和239mAh g-1的

5、比放電容量，單周容量損失僅為0.23％，非常穩(wěn)定。該比放電容量是傳統(tǒng)高溫方法合成的LiV3O8材料的2～3倍，倍率性能在已報道的LiV3O8電極材料中也是最好的。該杰出的電化學(xué)性能歸因于納米尺寸的直徑和納米棒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷。
　　 (4)首次合成了層片形貌的LiV3O8納米顆粒，并測試了其電化學(xué)性能。將聚乙二醇作為結(jié)構(gòu)改變劑加入到前驅(qū)體溶液中，可得到納米片形貌的LiV3O8。該方法得到LiV3O8晶體材料具有非常優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性

6、和比放電容量。在100 mA g-1的電流密度下放電，其比放電容量可達到260 mAh g-1，并且保持100％的容量。該杰出的電化學(xué)性能歸因于LiV3O8新穎的納米片形貌。
　　 (5)將Li3V2(PO4)3的前驅(qū)體溶液滲入到炭多孔結(jié)構(gòu)中，高溫煅燒可制得Li3V2(PO4)3/C納米復(fù)合材料。合成的Li3V2(PO4)3納米顆粒直徑<50 nm，在多孔炭基體中分布均勻。在3-4.3 V電壓范圍內(nèi)，1C倍率放電下，復(fù)合材料的可

7、逆比容量為122 mAh g-1。即使在32 C高倍率放電時，仍然可獲得83 mAh g-1的比放電容量。該倍率性能對Li3V2(PO4)3材料來說是最好的。其杰出的電化學(xué)性能是因為多孔炭在合成過程中很好地限制了Li3V2(PO4)3納米顆粒的長大，與活性材料接觸緊密也提高了材料的導(dǎo)電性。
　　 (6)結(jié)合固相反應(yīng)和自組裝的優(yōu)勢，在熔融的有機氣氛中通過單步固相反應(yīng)成功地合成了獨特納米帶形貌的Li3V2(PO4)3。該納米帶厚度大

8、約為50 nm，寬度為200 nm。納米帶沿著不同方向生長，使得整個電極材料形成多孔的結(jié)構(gòu)。在3.0和4.3 V的電壓范圍內(nèi)，即使以1 C的倍率放電，Li3V2(PO4)3納米帶正極材料仍然可獲得131 mAh g-1的比放電容量(非常接近132 mAh g-1的理論容量)，同時該材料也具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性。其良好的電化學(xué)性能歸結(jié)為：(a)納米尺寸的厚度縮短了鋰離子擴散和電子的傳輸距離；(b)多孔結(jié)構(gòu)有利于電解液的滲透，也增加了電極材料