锂电池正极材料CuV2O6的合成及其电化学性能研究

论文摘要

近年来,锂电池因其优异的性能发展十分迅速,先后出现了Li/MnO2、Li/I2、Li/Ag2V4O11、Li/SO2、Li/SOCl2、Li/FeS2、Li/（CF）n、Li/CuO等电池。其中,Li/Ag2V4O11凭借其高的体积比容量和质量比容量以及良好的倍率性能,在医用设备驱动电源上得到广泛的应用。然而,Ag2V4O11材料价格昂贵,可植入式心脏起博器等医疗器械的微型化发展对材料的能量密度提出了新的要求。相对而言,新一代金属钒酸盐——钒酸铜（CuV2O6）作为锂电池正极材料,具有原材料更便宜、比容量更高、容易合成且性能稳定等优点,替代Ag2V4O11材料作为锂一次电池正极活性材料应用在医疗器械领域,具有巨大的市场前景。此外,钒酸铜（CuV2O6）作为锂蓄电池正极材料也有一定的应用价值。本文通过高温固相法、液相共沉淀法和溶胶-凝胶法制备了CuV2O6材料并探讨了其最佳制备工艺,同时,对不同条件下所得产物的性能进行了比较分析。以V2O5和CuO为原料,通过取消热预处理反应物的过程,采用湿法球磨混合反应物以及控制反应时间、反应温度等方式改进传统的高温固相合成工艺,获得空气气氛条件下制备CuV2O6的最佳工艺条件为:烧结温度为620℃、烧结时间为2h。优化工艺合成的CuV2O6比传统固相法合成的CuV2O6具有更为优良的电化学性能。以V2O5和Cu（NO3）2为主要原料,通过滴加氨水溶解V2O5,并用稀盐酸和氨水)调节溶液的pH值、控制热处理温度等方式对CuV2O6的液相共沉淀合成工艺进行考察,主要探讨了热处理温度对所合成的CuV2O6的电化学性能的影响,发现最适宜的热处理温度为600℃。在该温度下合成的CuV2O6相比固相法合成的CuV2O6,具有更高的放电比容量。在液相共沉淀法合成CuV2O6的基础上,提出一种溶胶-凝胶合成方法。以NH4VO3、碱式碳酸铜、柠檬酸为原料,合成CuV2O6前驱体凝胶,对凝胶进行热处理,得到目标产物CuV2O6。主要探讨了不同的凝胶热处理温度对CuV2O6的结构、形貌及其电化学性能的影响,结果发现在550℃下对所得凝胶进行热处理,可以得到性能优良的CuV2O6材料,其初始放电比容量高达357mAh·g-1。通过溶胶-凝胶法合成CU1-xMxV2O6（M=Mn,Ni,Li2）,并对CuV2O6进行表面包覆铜粉、乙炔黑粉处理,测试结果表明:Cu位掺杂Ni可以改善CuV2O6的循环性能,表面包覆铜粉可以改善CuV2O6的初始放电比容量,而表面包覆乙炔黑不仅可以改善其放电初始比容量,而且可以改善其循环性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 电池的发展历程
• 1.2 锂电池概述
• 1.2.1 锂电池简介
• 1.2.2 锂电池的工作原理
• 1.2.3 锂电池的组成及结构
• 1.2.4 锂电池的负极材料
• 1.2.5 锂电池的电解液
• 1.2.6 锂电池的隔膜
• 1.2.7 锂电池的正极
• 1.3 金属钒酸盐作为锂电池正极材料的研究概述
• 2V₄O₁₁的研究概述'>1.3.1 Ag₂V₄O₁₁的研究概述
• 1+xV₃O₈材料的研究概述'>1.3.2 Li_1+xV₃O₈材料的研究概述
• 2O₆）材料的研究概述'>1.3.3 钒酸铜（CuV₂O₆）材料的研究概述
• 1.4 本论文的研究目的和内容
• 第2章 实验方法
• 2O₆材料的合成'>2.1 CuV₂O₆材料的合成
• 2O₆材料的固相合成'>2.1.1 CuV₂O₆材料的固相合成
• 2O₆材料的液相合成'>2.1.2 CuV₂O₆材料的液相合成
• 2O₆材料的溶胶—凝胶合成'>2.1.3 CuV₂O₆材料的溶胶—凝胶合成
• 2.2 电极材料物理化学性质的测定
• 2.2.1 结构的测定
• 2.2.2 形貌的测定
• 2.2.3 热分析（TG/DTA）
• 2.3 电极材料电化学性能的测定
• 2.3.1 电极的制备
• 2.3.2 电池的组装
• 2.3.3 充放电测试
• 2.3.4 循环伏安测试
• 2.3.5 交流阻抗测试
• 2O₆的固相合成及其在锂一次电池中的应用'>第3章 CuV₂O₆的固相合成及其在锂一次电池中的应用
• 3.1 引言
• 2O₆材料的合成'>3.2 CuV₂O₆材料的合成
• 3.2.1 合成温度分析
• 3.2.2 合成时间对材料性能的影响
• 2O₆材料的电化学性能比较'>3.3 不同工艺合成的CuV₂O₆材料的电化学性能比较
• 3.3.1 传统固相合成
• 2O₆材料的放电性能比较'>3.3.2 不同工艺合成CuV₂O₆材料的放电性能比较
• 2O₆材料的交流阻抗比较'>3.3.3 工艺优化前后所得CuV₂O₆材料的交流阻抗比较
• 3.4 本章小结
• 2O₆的液相沉淀制备及其在锂一次电池中的应用'>第4章 CuV₂O₆的液相沉淀制备及其在锂一次电池中的应用
• 4.1 液相沉淀制备法简介
• 4.1.1 液相沉淀制备法的定义
• 4.1.2 液相沉淀制备法的分类
• 4.1.3 液相沉淀法制备材料的工艺控制条件
• 2O₆材料的液相沉淀法制备'>4.2 CuV₂O₆材料的液相沉淀法制备
• 2O₆晶体结构的影响'>4.3 不同热处理温度对液相合成的CuV₂O₆晶体结构的影响
• 2O₆材料的放电性能比较'>4.4 不同热处理温度下合成的CuV₂O₆材料的放电性能比较
• 4.5 液相共沉淀法所得产品的倍率性能比较
• 4.6 液相共沉淀法所得产品的交流阻抗（EIS）分析
• 4.7 本章小结
• 2O₆的溶胶-凝胶合成及其在锂一次电池中的应用'>第5章 CuV₂O₆的溶胶-凝胶合成及其在锂一次电池中的应用
• 5.1 溶胶-凝胶法简介
• 2O₆材料的溶胶-凝胶合成'>5.2 CUV₂O₆材料的溶胶-凝胶合成
• 2O₆材料的溶胶—凝胶合成方法'>5.2.1 CuV₂O₆材料的溶胶—凝胶合成方法
• 2O₆材料的溶胶-凝胶合成机理'>5.2.2 CuV₂O₆材料的溶胶-凝胶合成机理
• 5.2.3 热处理温度分析
• 2O₆材料的表征'>5.3 CuV₂O₆材料的表征
• 2O₆材料的XRD分析'>5.3.1 CuV₂O₆材料的XRD分析
• 2O₆材料的SEM分析'>5.3.2 CuV₂O₆材料的SEM分析
• 2O₆材料的放电性能分析'>5.3.3 CuV₂O₆材料的放电性能分析
• 2O₆材料的阻抗性能分析'>5.3.4 CuV₂O₆材料的阻抗性能分析
• 2O₆材料的性能分析'>5.4 不同方法合成的CuV₂O₆材料的性能分析
• 2O₆材料的放电性能的影响'>5.4.1 制备方法对CuV₂O₆材料的放电性能的影响
• 2O₆材料的阻抗性能的影响'>5.4.2 制备方法对CuV₂O₆材料的阻抗性能的影响
• 2O₆电池的开路电压'>5.4.3 Li/CuV₂O₆电池的开路电压
• 2O₆电池的贮存性能'>5.4.4 Li/CuV₂O₆电池的贮存性能
• 5.5 本章小结
• 2O₆在Li/CuV₂O₆蓄电池中的应用及其性能改进'>第6章 CuV₂O₆在Li/CuV₂O₆蓄电池中的应用及其性能改进
• 6.1 引言
• 2O₆材料循环性能的影响'>6.2 合成工艺对CuV₂O₆材料循环性能的影响
• 2O₆材料的循环性能的影响'>6.2.1 烧结时间对固相法制备的CuV₂O₆材料的循环性能的影响
• 2O₆材料的循环性能的影响'>6.2.2 热处理温度对液相法制备的CuV₂O₆材料的循环性能的影响
• 2O₆材料的循环性能的影响'>6.2.3 热处理温度对溶胶—凝胶法制备的CuV₂O₆材料的循环性能的影响
• 2O₆材料的循环性能比较'>6.2.4 不同方法合成的CuV₂O₆材料的循环性能比较
• 2O₆材料的循环伏安研究'>6.3 CuV₂O₆材料的循环伏安研究
• 2O₆材料循环性能的改进'>6.4 CuV₂O₆材料循环性能的改进
• 2O₆材料循环性能的改进措施'>6.4.1 CuV₂O₆材料循环性能的改进措施
• 2O₆材料循环性能的影响'>6.4.2 元素掺杂对CuV₂O₆材料循环性能的影响
• 2O₆材料循环性能的影响'>6.4.3 包覆导电剂对CuV₂O₆材料循环性能的影响
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表和接受待发表的论文