V2O5正极材料及其复合物的制备与研究

论文摘要

锂离子电池以其工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、“绿色”环保等众多优点备受人们关注。进一步提高电池性能和降低电极材料成本是锂离子电池发展和改进的主要方向。本文在详细评述了锂离子电池及其正极材料研究进展的基础上,选取V2O5为研究对象,对其合成和改性进行了详细研究。本文从实验与理论分析相结合的角度对V2O5干凝胶（V2O5XRG）、V2O5类气凝胶（V2O5ARG-like）及V2O5/乙炔黑（AB）/Nd2O3复合材料制备过程中工艺参数、结构和形成机理等方面进行了系统深入的研究,并对四种不同类型的V2O5电极材料的电性能进行了系统测试,取得的主要结果如下:采用超声波-熔融淬冷-溶胶-凝胶法制备非晶态V2O5（a-V2O5）,在实验过程中,初步探讨了超声波的作用,指出了存在的问题与改进措施,研究了超声波的作用、作用强度和作用时间对产品质量的影响。结果表明,超声波在制备a-V2O5粉体中,具有促进形核,减少大颗粒的存在等优点。用正交实验研究了煅烧温度、煅烧时间、去离子水与晶态V2O5（c-V2O5）的浓度比和陈化时间对合成a-V2O5的影响,讨论了这些参数间的交互作用,并获得了最优试验参数,以该最优试验参数所制备的a-V2O5为可充锂电池正极的实验电池,具有较大的放电比容量和较好的循环寿命。以氧气-熔融淬冷法制备V2O5XRG,并详细研究了V2O5熔体淬水成胶机理。在V2O5熔融时运用氧气顶吹工艺这一思路,目的是增加熔体表面的氧分压,减少熔体的氧缺损,使V2O5XRG的V5+离子含量更高,电化学性能更好,结果表明该法制备V2O5XRG无疑是可行的。通过电化学阻抗（EIS）详细研究了锂离子嵌入V2O5XRG的电极反应过程。按电极反应机理建立了锂离子嵌入V2O5XRG电极的等效电路,并用复合非线性最小二乘法（CNLS）拟合了不同电位下的电化学阻抗谱。实验结果表明该阻抗谱由高、中频区的两个圆弧和低频区的一条直线组成。高频区的圆弧对应于锂离子在V2O5XRG表面的吸附反应,中频区的圆弧对应于V2O5XRG/电解质界面的电荷转移反应,低频区与横轴成45°角的直线表示锂离子在V2O5XRG中的扩散反应。研究了多步有机溶剂交换法制备V2O5ARG-like可充锂电池正极材料,以所制备的样品作为正极材料,金属锂为负极组装了纽扣电池。TEM、比

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 锂离子电池的结构与工作原理
• 1.3 锂离子电池正极材料的特性与研究进展
• 1.3.1 正极材料的选择原则
• 1.3.2 锂离子电池正极材料的研究现状
• 2O₅ 体系正极材料的研究现状、存在的问题与解决措施'>1.4 V₂O₅体系正极材料的研究现状、存在的问题与解决措施
• 2O₅ 干凝胶及其类气凝胶研究现状'>1.4.1 V₂O₅干凝胶及其类气凝胶研究现状
• 1.4.2 存在的问题与解决措施
• 2O₅ 为正极的LMP 电池研制概况'>1.5 以V₂O₅ 为正极的LMP 电池研制概况
• 2O₅ 凝胶工艺的研究'>1.5.1 V₂O₅凝胶工艺的研究
• 2O₅ 为正极的LMP 电池产业化概况'>1.5.2 以V₂O₅ 为正极的LMP 电池产业化概况
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 第2章 实验仪器和实验方法
• 2.1 实验材料及仪器设备
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 电极材料制备
• 2.2.1 高温合成反应装置
• 2.2.2 超声实验装置
• 2.2.3 电极材料的制备
• 2.3 电极材料的表征方法及测试
• 2.3.1 电极材料物化性能表征
• 2.3.2 电极材料电化学性能测试
• 2O₅凝胶材料的合成与性能研究'>第3章 V₂O₅凝胶材料的合成与性能研究
• 3.1 正交实验设计
• 3.1.1 极差分析
• 3.1.2 方差分析
• 3.2 超声波的作用
• 3.2.1 超声波对粒度的影响
• 3.2.2 超声波功率对产率的影响
• 3.2.3 超声波作用时间对粒径的影响
• 2O₅ 干凝胶电极材料的制备及表征'>3.3 V₂O₅干凝胶电极材料的制备及表征
• 2O₅ 熔融淬冷成胶机理'>3.3.1 V₂O₅熔融淬冷成胶机理
• 5+的还原机理研究'>3.3.2 V⁵⁺的还原机理研究
• 3.3.3 红外光谱分析（FT-IR）
• 3.3.4 化合价分析
• 3.3.5 热重（TG）和差示扫描量热（DSC）分析
• 2O₅ 类气凝胶的合成及表征'>3.4 V₂O₅类气凝胶的合成及表征
• 3.4.1 X 射线衍射分析
• 3.4.2 扫描电镜观察
• 3.4.3 比表面积分析
• 3.4.4 孔径分布
• 2O₅ 凝胶材料电化学性能研究'>3.5 V₂O₅凝胶材料电化学性能研究
• 2O₅'>3.5.1 C-V₂O₅
• 2O₅ 干凝胶'>3.5.2 V₂O₅干凝胶
• 2O₅ 类气凝胶'>3.5.3 V₂O₅类气凝胶
• 3.6 本章小结
• 2O₅/AB/Nd₂O₃复合材料性能研究'>第4章 V₂O₅/AB/Nd₂O₃复合材料性能研究
• 4.1 物理化学性能结果与讨论
• 4.1.1 热重、差热分析
• 4.1.2 X 射线衍射分析
• 4.1.3 SEM 形貌观察
• 4.1.4 孔径分布
• 4.1.5 粒径测量
• 4.2 电化学性能研究
• 4.2.1 CV 结果讨论
• 4.2.2 EIS 结果分析
• 4.2.3 充放电结果分析
• 4.3 本章小结
• 2O₅材料嵌锂过程的动力学研究'>第5章 V₂O₅材料嵌锂过程的动力学研究
• 2O₅ 电极材料的交换电流密度'>5.1 V₂O₅电极材料的交换电流密度
• 5.1.1 线性极化法测定电极交换电流密度的基本原理
• 2O₅ 电极材料在不同嵌锂量下的交换电流密度'>5.1.2 C-V₂O₅电极材料在不同嵌锂量下的交换电流密度
• 2O₅ 电极材料的交换电流密度'>5.1.3 四种V₂O₅电极材料的交换电流密度
• 2O₅ 材料中的扩散系数'>5.2 锂离子在V₂O₅材料中的扩散系数
• 5.2.1 恒电位阶跃法测定锂离子扩散系数的基本原理
• 2O₅ 电极材料在不同嵌锂量下的锂离子扩散系数'>5.2.2 C-V₂O₅电极材料在不同嵌锂量下的锂离子扩散系数
• 2O₅ 电极材料的扩散系数'>5.2.3 四种V₂O₅电极材料的扩散系数
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历