钒氧化物@C复合电极材料有序构筑及性能研究

发布时间：2020-05-10 14:31

【摘要】：一维钒氧化物,因其独特的纳米尺度特征,在声、光、电等方面表现出一系列优异的性能,尤其是应用于电化学储能材料时,一维钒氧化物所具有的大表面积、短离子传输路径、高理论容量、低成本等特点使其在锂离子电池电极材料应用方面表现出十分广阔的应用前景。本文选取水热合成的方式,制备了一维纳米结构的钒氧化物,并对其进行X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)分析,对一维钒氧化物的物相、结构以及形貌进行了表征,探索其生长机理;对合成的钒氧化物进行电化学性能表征,研究其作为锂离子电池正极材料时的循环伏安性能、恒流充放电性能以及循环稳定性。(1)以VOSO_4·2H_2O为原料,水为溶剂,190℃水热反应温度下,制备出具有一维纳米带结构的钒氧化物,XRD与XPS分析结果表明,产物为具有正交结构的VOSO_4·2H_2O晶体。对不同水热反应时间制备的产物进行物相分析,结合其形貌结构,将其生长过程总结为“溶解-氧化-剥离-成片”过程。对制得样品进行物相表征;循环伏安(CV),恒流冲充放电,电化学阻抗(EIS)测试,测试结果表明,随着水热反应时间的增加,产物结晶性提高,电化学性能也得到显著提高。水热反应时间为48h时,产物首次放电比容可以达到245.7 mAh g~(-1),循环充放电50次后,其容量保持率仍可以维持在87.99%。(2)选择实验一中制备的V_3O_7·H_2O纳米带为前驱体,在400℃温度下,空气氛下进行退火处理,对退火处理后获得的样品进行XRD分析,得出产物为具有斜方结构的V_2O_5晶体,SEM测试发现,V_2O_5完整保留了前驱体V_3O_7·H_2O的纳米带结构特征,说明产物结构稳定性较强。电化学测试结果表明,前驱体水热时间越短,制得样品电化学性能越佳,选取水热时间为12h时制得的V_3O_7·H_2O为前驱体,煅烧后获得的V_2O_5其首次放电比容量为232.2 mAh g~(-1),充电比容量为202.5 mAh g~(-1),库伦效率为87.2%,远高于水热时间为48h时制得的样品。这与制得的V_2O_5晶体结构有关,制得样品无定形程度越高,电极活性物质颗粒尺寸越细小,有利于电极材料与电解质间的接触,缩短锂离子传输路径,促进离子扩散,提高电池的电化学性能。(3)然而,由于钒氧化物本身固有电子电导率和锂离子扩散系数小,且充放电过程中伴随的结构变化,使得作为锂离子电池电极材料时,循环稳定性和倍率性能较差。针对上述问题,对制得样品进行表面包覆处理,选取葡萄糖对V_2O_5进行包覆,探究加入不同质量分数的碳时,对产物性能的影响。实验结果表明,引入外加碳源后,并没有改变钒氧化物的结构,而且包覆后产物电化学性能都得以提升,葡萄糖质量分数为3%时,电化学性能最优,这是因为电极活性物质表面包炭后,一方面可以提高电极材料表面电导率,另一方面表面炭层可以起到缓解电池充放电过程中钒氧化物结构变化时产生的应力,提高电池的循环稳定性。
【图文】：

后仍表现出优异的电池性能。碳材料做锂电负极材料时，表现出比大多数氧化物、物、聚合物更高的比电荷量，，更负的氧化还原电位；由于碳材料本身良好的结构稳，表现出比金属锂作负极材料时更佳的循环稳定性[17]。Nagaura[20]等人于 1990 年成备出以 LiCoO2为正极材料，石油焦炭为负极材料，LiClO4/PC+EC 做电解质，具有循环稳定性和比容量的锂离子电池。1991 年，日本的索尼公司发布了以碳材料作负新型锂二次电池，并命名为锂离子电池，并实现商用化，开始大规模推广。此后，对锂离子电池进行了一系列的尝试和探索，开发出不同的正、负极材料和电解质，子电池种类和性能均得到长足发展。表 1.1[21]为截止 90 年代锂二次电池发展过程，中可以看出，锂离子电池发展过程中也出现了锂//聚合物电池，Li/SO2电池等。.2.1 锂离子电池结构及工作原理锂离子电池的结构一般包括正极材料、负极材料、集流体（正极一般为金属铝，为铜）、电池隔膜、正极引线、负极引线、电池外壳、安全阀、中心端子、绝缘材料温度控制端子等。为满足不同需求，目前市场常见的锂电池主要分为圆柱形电池、电池、方形电池和薄膜状电池，如图 1.2 所示，分别为上述几种电池结构示意图。

钒氧化物@C 复合电极材料有构筑成及性能研究体-电解质-界面（SEI）。锂离子电池在充放电过程放电LiCoO2Li1-xCoO2+ x Li++ x e-充电放电6C + x Li++ x e-LixC6充电放电6C + LiCoO2Li1-xCoO2+ LixC6充电
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;TM912

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本文编号：2657449