【摘要】：作為一種電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng),鋰離子電池因其體積小,質(zhì)量輕,能量和功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng),安全性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于便捷式、可穿戴設(shè)備以及電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。目前,商用鋰離子電池主要使用石墨作為負(fù)極材料,但石墨理論比容量(372 mAh g~(-1))較低,且放電電壓平臺(tái)低(約0.2 V),會(huì)生成鋰枝晶造成安全隱患,嚴(yán)重限制了鋰離子電池的綜合性能。因此,開(kāi)發(fā)新的可替換石墨的負(fù)極材料成為一個(gè)研究重點(diǎn)。新型釩基負(fù)極材料制備成本低、來(lái)源廣,釩離子豐富的價(jià)態(tài)變化可實(shí)現(xiàn)多電子電化學(xué)反應(yīng),提供高的儲(chǔ)鋰性能。本論文通過(guò)形貌控制、離子摻雜、碳包覆、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法合成了幾種釩基電極材料,并對(duì)其電化學(xué)性能及儲(chǔ)鋰機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析,具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.為了改善Li_3VO_4的電化學(xué)性能,通過(guò)溶膠-凝膠法成功制備了一系列Li_3Nb_x V_(1-x)O_4(0≤x≤0.3)固溶體粉末。由于八面體配位中Nb~(5+)和V~(5+)相近的離子半徑,單相結(jié)構(gòu)的Li_3Nb_xV_(1-x)-x O_4(0≤x≤0.15)得以形成。用Nb取代V引起晶格常數(shù)a,b的增大,增加了沿著c軸通道擴(kuò)散的橫截面積,間接地提高了Li離子遷移的擴(kuò)散系數(shù)。得益于提高的電導(dǎo)率(約兩個(gè)數(shù)量級(jí))和鋰離子擴(kuò)散系數(shù),Li_3Nb_xV_(1-x)O_4(x=0.02)作為鋰離子電池陽(yáng)極材料表現(xiàn)出最佳的電化學(xué)性能。在0.1 3 V的電壓窗口下,以30 mA g~(-1)的電流密度,未摻雜Li_3VO_4的比容量約為440 mAh g~(-1),而Li_3Nb_xV_(1-x)O_4(x=0.02)顯示出更高的比容量(550 mAh g~(-1))。此外,當(dāng)電流密度增加到1500 mA g~(-1)時(shí),摻雜改性后樣品的充電/放電容量幾乎是未摻雜Li_3VO_4的兩倍。2.采用溶膠-凝膠法首次成功制備了二元金屬氧化物(VOMoO_4),以檸檬酸為碳源和螯合劑,優(yōu)化了VOMoO_4的結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸,所得樣品顆粒較小,樣品表面包覆有均勻的碳層。受益于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、電子電導(dǎo)率的提高以及V和Mo的多電子反應(yīng),VOMoO_4作為鋰離子電池陽(yáng)極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在0.01 3 V的電壓窗口下,以0.2 A g~(-1)的電流密度,VOMoO_4電極材料在250次循環(huán)后仍能穩(wěn)定提供830 mAh g~(-1)的高比容量。此外,VOMoO_4也表現(xiàn)出較好的倍率性能,即使在10 A g~(-1)的大電流密度下,VOMoO_4電極也具備高而穩(wěn)定的比容量。通過(guò)原位XRD測(cè)試,進(jìn)一步證實(shí)了VOMoO_4作為鋰離子電池陽(yáng)極是以轉(zhuǎn)化反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)鋰的。3.采用溶膠-凝膠法設(shè)計(jì)合成了新型釩基金屬氧化物NiV_2O_6和NiV_2O_6/C,并首次將其作為鋰離子電池負(fù)極材料進(jìn)行詳細(xì)研究。X射線(xiàn)衍射和Rietveld精修結(jié)果表明:NiV_2O_6/C是空間群為P-1的單相結(jié)構(gòu),由VO_5五面體和NiO_6八面體交替鏈接構(gòu)成層狀。合成方案中以檸檬酸為碳源和螯合劑,優(yōu)化了NiV_2O_6樣品的結(jié)構(gòu)和顆粒尺寸大小,不僅改善了材料本身的電子電導(dǎo)率,而且有效地提高材料的界面動(dòng)力學(xué)。通過(guò)循環(huán)伏安測(cè)試、充放電曲線(xiàn)以及EIS圖譜進(jìn)行分析,初步推測(cè)NiV_2O_6/C電極充放電過(guò)程的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。作為鋰離子電池負(fù)極材料,NiV_2O_6/C表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。
【圖文】：

圖 1-1 鋰離子電池構(gòu)造示意圖池工作原理示意圖，圖示以 LiCoO2放電過(guò)程中的電化學(xué)反應(yīng)可由以下反極： 2 1 2 極：6 6反應(yīng)： 26 6 1 LiCoO2）失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，同過(guò)隔膜嵌入到負(fù)極石墨碳層中，，發(fā)生過(guò)程中，Li+從石墨碳層中脫出，穿外電路對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電。通過(guò)鋰離子放。

圖 1-1 鋰離子電池構(gòu)造示意圖 1-2 是二次鋰離子電池工作原理示意圖，圖示以 LiCoO2為正極材料料，鋰離子電池在充放電過(guò)程中的電化學(xué)反應(yīng)可由以下反應(yīng)方程式體正極： 2 1 2 負(fù)極：6 6總反應(yīng)： 26 6 1 2充電時(shí)，正極材料（LiCoO2）失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)脫出 Li+下，Li+在電解液中穿過(guò)隔膜嵌入到負(fù)極石墨碳層中，發(fā)生還原反應(yīng)并子；在電池對(duì)外放電過(guò)程中，Li+從石墨碳層中脫出，穿過(guò)隔膜并嵌入oO2），而電子則通過(guò)外電路對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電。通過(guò)鋰離子在正負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存與釋放。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM912

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本文編號(hào)：2622787