【摘要】：作為一種電化學儲能系統(tǒng),鋰離子電池因其體積小,質量輕,能量和功率密度高、循環(huán)壽命長,安全性好等優(yōu)點,被廣泛應用于便捷式、可穿戴設備以及電動汽車等領域。目前,商用鋰離子電池主要使用石墨作為負極材料,但石墨理論比容量(372 mAh g~(-1))較低,且放電電壓平臺低(約0.2 V),會生成鋰枝晶造成安全隱患,嚴重限制了鋰離子電池的綜合性能。因此,開發(fā)新的可替換石墨的負極材料成為一個研究重點。新型釩基負極材料制備成本低、來源廣,釩離子豐富的價態(tài)變化可實現(xiàn)多電子電化學反應,提供高的儲鋰性能。本論文通過形貌控制、離子摻雜、碳包覆、結構優(yōu)化等方法合成了幾種釩基電極材料,并對其電化學性能及儲鋰機理進行詳細分析,具體研究內容和結果如下:1.為了改善Li_3VO_4的電化學性能,通過溶膠-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,單相結構的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軸通道擴散的橫截面積,間接地提高了Li離子遷移的擴散系數(shù)。得益于提高的電導率(約兩個數(shù)量級)和鋰離子擴散系數(shù),Li_3Nb_xV_(1-x)O_4(x=0.02)作為鋰離子電池陽極材料表現(xiàn)出最佳的電化學性能。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,當電流密度增加到1500 mA g~(-1)時,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的結構和顆粒尺寸,所得樣品顆粒較小,樣品表面包覆有均勻的碳層。受益于結構的優(yōu)化、電子電導率的提高以及V和Mo的多電子反應,VOMoO_4作為鋰離子電池陽極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。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。通過原位XRD測試,進一步證實了VOMoO_4作為鋰離子電池陽極是以轉化反應來儲鋰的。3.采用溶膠-凝膠法設計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極材料進行詳細研究。X射線衍射和Rietveld精修結果表明:NiV_2O_6/C是空間群為P-1的單相結構,由VO_5五面體和NiO_6八面體交替鏈接構成層狀。合成方案中以檸檬酸為碳源和螯合劑,優(yōu)化了NiV_2O_6樣品的結構和顆粒尺寸大小,不僅改善了材料本身的電子電導率,而且有效地提高材料的界面動力學。通過循環(huán)伏安測試、充放電曲線以及EIS圖譜進行分析,初步推測NiV_2O_6/C電極充放電過程的電化學反應過程。作為鋰離子電池負極材料,NiV_2O_6/C表現(xiàn)出較好的電化學性能。
【圖文】：

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

圖 1-1 鋰離子電池構造示意圖 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程中的電化學反應可由以下反應方程式體正極： 2 1 2 負極：6 6總反應： 26 6 1 2充電時，正極材料（LiCoO2）失去電子發(fā)生氧化反應，同時脫出 Li+下，Li+在電解液中穿過隔膜嵌入到負極石墨碳層中，發(fā)生還原反應并子；在電池對外放電過程中，Li+從石墨碳層中脫出，穿過隔膜并嵌入oO2），而電子則通過外電路對設備進行供電。通過鋰離子在正負極材料實現(xiàn)電能的儲存與釋放。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM912

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本文編號：2622787