锂电池正极材料磷酸钒锂的合成与电化学性能研究

论文摘要

具有NASICON结构的Li3V2（PO4）3具有工作电位高、理论比容量较高和循环稳定性好等优点,被认为是具有巨大发展潜力锂离子电池正极材料之一。但由于本身晶体结构的限制,Li3V2（PO4）3的电导性和离子扩散性能差,从而限制了其的发展。因此需对Li3V2（PO4）3材料进行改性研究从而提高其电子传导性和离子传导性。本文利用球磨技术制备前驱体,采用高温碳热还原法制备多孔状Li3V2（PO4）3/C,考察了不同煅烧温度、煅烧时间、草酸加入量对材料性能的影响并进行了电极动力学研究,其主要内容如下：分别以有机化合物淀粉、酚醛树脂、葡萄糖为碳源,采用高温碳热还原法合成出块状Li3V2（PO4）3/C样品。研究结果表明：以淀粉为碳源Li3V2（PO4）3/C的正极材料具有最佳的电化学性能,在0.1C下的首次放电比容量达109.5 mAh g-1,循环30次后放电比容量100.5 mAhg-1,容量保持率为91.8%。说明淀粉为较为理想的碳源。采用高温碳热还原法以淀粉为碳源加以草酸辅助,成功的制备出多孔状Li3V2（PO4）3/C复合材料,并研究了煅烧温度、时间和草酸加入量对材料性能的影响。研究结果表明：当nV2O5:nH2C2O4为1：6时,在800℃下煅烧10 h合成的材料具有最优的物理和电化学性能。材料为纯相具有P21/n空间群的单斜晶系结构的晶体,具有规整的多孔形貌,同时表现循环性及倍率性能：0.1 C初始充放电比容量为130.0 mAhg-1,经20次循环后,放电比容量仍然保留124.9 mAh g-1为初始放电比容量的96.1%,2 C下循环50次材料仍有91.5 mAhg-1的放电比容量,容量损失率仅为7%。采用循环伏安法和交流阻抗测试（EIS）初步研究了多孔状Li3V2（PO4）3/C电极过程动力学。循环伏安法研究了多孔Li3V2（PO4）3/C电极的锂离子扩散系数,其固相扩散系数为1.004x 10-9cm2 s-11.540x 10-8cm2s-1,液相扩散系数为1.022×10-7cm2s-1～2.709×10-7cm2s-1，交流阻抗测试并计算得到锂离子扩散系数为2.978×10-111.885×10-8cm2 s-1。结果表明该电极具有良好的锂离子脱,嵌能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.2.1 锂离子电池的发展史
• 1.2.2 锂离子电池的组成、工作原理及特点
• 1.3 锂离子电池正极材料研究进展
• 2'>1.3.1 层状正极材料LiCoO₂
• 2O₄'>1.3.2 尖晶石型LiMn₂O₄
• 4'>1.3.3 橄榄石型LiFePO₄
• 3V₂（PO₄）₃的研究进展'>1.3.4 Li₃V₂（PO₄）₃的研究进展
• 1.4 本论文的研究内容和创新点及意义
• 1.4.1 本论文的内容
• 1.4.2 本论文的创新点
• 1.4.3 本论文的研究意义
• 3V₂（PO₄）₃/C材料的碳源研究'>第二章 高温碳热还原法合成块状Li₃V₂（PO₄）₃/C材料的碳源研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 3V₂（PO₄）₃/C复合材料的制备'>2.2.3 块状Li₃V₂（PO₄）₃/C复合材料的制备
• 2.2.4 样品的表征
• 2.2.5 电化学测试
• 2.3 结果与讨论
• 3V₂（PO₄）₃的结构与形貌'>2.3.1 Li₃V₂（PO₄）₃的结构与形貌
• 3V₂（PO₄）₃的电化学性能'>2.3.2 Li₃V₂（PO₄）₃的电化学性能
• 2.4 本章小结
• 3V₂（PO₄）3/C的研究'>第三章 高温碳热还原法合成多孔状Li₃V₂（PO₄）3/C的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3V₂（PO₄）₃/C复合材料的制备'>3.2.3 多孔Li₃V₂（PO₄）₃/C复合材料的制备
• 3.2.4 样品的表征
• 3.2.5 电化学测试
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 温度对样品性能的影响
• 3.3.2 煅烧时间对样品性能的影响
• 3.3.3 草酸量对样品电化学性能的影响
• 3.4 本章小结
• 3V₂（PO₄）₃/C与块状Li₃V₂（PO₄）3/C材料的性能比较'>第四章 多孔状Li₃V₂（PO₄）₃/C与块状Li₃V₂（PO₄）3/C材料的性能比较
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 3V₂（PO₄）₃/C复合材料的制备'>4.2.3 Li₃V₂（PO₄）₃/C复合材料的制备
• 4.2.4 电化学测试
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 XRD表征及分析
• 4.3.2 样品的形貌分析
• 4.3.3 充放电和循环性能
• 4.3.4 循环伏安及交流阻抗分析
• 4.4 本章小结
• 3V₂（PO₄）₃/C电极过程动力学研究'>第五章 多孔状Li₃V₂（PO₄）₃/C电极过程动力学研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 扣式电池的组装
• 5.2.4 循环伏安测试
• 5.2.5 交流阻抗测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 CV法测定锂离子扩散系数
• 5.3.2 交流阻抗分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间主要研究成果