锂离子电池负极材料钒酸钴的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-08-13 11:31

  本文关键词：锂离子电池负极材料钒酸钴的制备及其电化学性能研究

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【摘要】：近年来,钒酸盐因其多变的晶体结构、多金属间的协同效应及界面效等特性而倍受关注。作为锂离子电池负极材料,钒酸盐表现出优良的电化学活性。本文以钒酸钴为研究对象,采用不同的合成方法制备了不同形貌和组成的钒酸钴化合物,通过多种测试手段对其组成和微观结构进行了研究,同时对其电化学性能和机理进行分析和探讨,探索材料结构与性能之间的内在规律。首先采用水热法制备了铅笔头状的多钴钒酸盐,并对其晶体结构、化学组成及表面价态等进行了研究,结果表明所合成的化合物的化学式为Co_7V_4O_(16)(OH)_2(H_2O),研究了p H值、合成温度、合成时间、反应物浓度等工艺条件对样品形貌和尺寸的影响,研究发现反应物浓度对产物的晶体形貌影响较大。将铅笔头状Co_7V_4O_(16)(OH)_2(H_2O)作为锂离子电池负极材料进行电化学测试,研究发现在1000 mA g~(-1)电流密度下循环300次循环之后,容量仍能保持在252 mA h g~(-1)左右。在此基础上,通过调控水热温度得到了不同尺寸的Co_7V_4O_(16)(OH)_2(H_2O)前驱体,经过热处理后,得到了不同尺寸的具有三维分级结构的Co_3V_2O_8化合物。研究了前驱体尺寸对样品结构、形貌及锂离子充放电性能的影响。结果表明,1μm尺寸的前驱体热处理后得到的颗粒不仅保留了铅笔头形貌,还形成了由小颗粒有序堆积而成的三维分级结构,颗粒内部疏松多孔,这种结构有利于锂离子的嵌入和脱出。充放电性能测试结果表明,在500 mA g~(-1)电流密度下循环300次循环之后其放电比容量可达680 mA h g~(-1)。采用水浴法制备了六方Co_2V_2O_7·3.3H_2O纳米片前驱体,热处理后得到了多孔六方Co_3V_2O_8纳米片。研究了不同烧结温度对样品形貌和电化学性能的影响。BET分析表明450 o C合成的样品比表面积可达14.17 m2 g~(-1)。充放电测试表明在1000 mA g~(-1)电流密度下其容量先下降后逐渐上升,并在750次循环后稳定在1900 mA h g~(-1)。利用不同扫速下的CV测试、EIS测试、HRTEM等手段对其容量上升现象进行了分析,提出“电化学重建引起的界面储锂”机制。研究发现多孔六方Co_3V_2O_8纳米片在充放电过程中由单片变成多层片,同时其孔隙率和界面增加,从而暴露了更多的活性位点,为电容式容量存储提供了更多的储锂空间。此外,在锂离子嵌入/脱出过程中,形成的Co O与Lix V2O5无定形阵列间的界面逐渐增多,界面储锂容量增大。
【关键词】：锂离子电池 钒酸钴 分级结构 容量自恢复 界面储锂
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;TQ138.12
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 锂离子电池发展简史11-12
• 1.3 锂离子电池工作原理12
• 1.4 锂离子电池电极材料的发展12-22
• 1.4.1 碳负极材料14-16
• 1.4.2 Li_4Ti_5O_(12)负极材料16
• 1.4.3 硅基负极材料16-17
• 1.4.4 锡基负极材料17-18
• 1.4.5 过渡金属氧化物负极材料18-22
• 1.5 本文的主要研究内容22-23
• 第2章 实验材料及测试方法23-27
• 2.1 实验仪器和原料23-24
• 2.1.1 实验原料23
• 2.1.2 实验仪器23-24
• 2.2 材料制备方法24
• 2.2.1 水热/溶剂热法24
• 2.2.2 沉淀法24
• 2.3 实验电池组装24-25
• 2.3.1 电极的制备24
• 2.3.2 半电池的组装24-25
• 2.4 电极材料的表征25-26
• 2.4.1 X射线衍射（XRD）25
• 2.4.2 场发射扫描电子显微镜（FESEM）及能谱（EDS）25
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）25
• 2.4.4 X射线光电子能谱（XPS）25
• 2.4.5 热重分析和差热分析（TG-DTA）25-26
• 2.4.6 电感耦合等离子体原子发射光谱分析（ICP-AES）26
• 2.4.7 BET比表面分析（BET）26
• 2.5 电极材料的电化学性能测试26-27
• 2.5.1 恒流充放电测试26
• 2.5.2 循环伏安测试26
• 2.5.3 电化学阻抗测试26-27
• 第3章 Co_7V_4O_(16)(OH)_2(H_2O)的制备及电化学性能研究27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 样品的制备27-28
• 3.3 水热工艺探究28-32
• 3.3.1 水热条件影响因素探究28-30
• 3.3.2 水热原料组成对产物的影响30-32
• 3.4 铅笔头状Co_7V_4O_(16)(OH)_2(H_2O)的结构与形貌分析32-34
• 3.4.1 X-射线衍射结构表征32
• 3.4.2 透射电子显微分析32-33
• 3.4.3 X-射线光电子能谱分析33-34
• 3.5 铅笔头Co_7V_4O_(16)(OH)_2(H_2O)的电化学性能34-40
• 3.5.1 循环性能测试34-36
• 3.5.2 倍率性能测试36-37
• 3.5.3 循环伏安测试37-38
• 3.5.4 交流阻抗分析38-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第4章 不同尺寸 3D分级结构Co_3V_2O_8的制备及其电化学性能研究41-53
• 4.1 引言41
• 4.2 样品的制备41-42
• 4.3 烧结温度工艺探究42-44
• 4.3.1 TG-DTA热分析42-43
• 4.3.2 X-射线衍射结构表征43-44
• 4.3.3 扫描电子显微分析44
• 4.4 不同尺寸 3D分级结构Co_3V_2O_8的结构与形貌分析44-48
• 4.4.1 扫描电子显微分析44-45
• 4.4.2 透射电子显微分析45-46
• 4.4.3 X-射线光电子能谱分析46-47
• 4.4.4 BET比表面积分析47-48
• 4.5 不同尺寸 3D分级结构Co_3V_2O_8的电化学性能48-52
• 4.5.1 循环性能测试48
• 4.5.2 倍率性能测试48-49
• 4.5.3 循环伏安测试49-50
• 4.5.4 性能影响因素探究50-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第5章 介孔六方纳米片状Co_3V_2O_8的制备及其电化学性能研究53-70
• 5.1 引言53
• 5.2 样品的制备53-54
• 5.3 介孔六方纳米片状Co_3V_2O_8的结构与形貌分析54-59
• 5.3.1 X-射线衍射结构表征54-55
• 5.3.2 扫描电子显微分析55-57
• 5.3.3 透射电子显微分析57
• 5.3.4 BET比表面积分析57-58
• 5.3.5 X-射线光电子能谱分析58-59
• 5.4 介孔六方纳米片状Co_3V_2O_8的电化学性能59-63
• 5.4.1 循环性能测试59-61
• 5.4.2 倍率性能测试61-62
• 5.4.3 循环伏安测试62-63
• 5.5 容量自恢复机理探究63-68
• 5.5.1 电化学测试分析63-66
• 5.5.2 形貌演变的透射显微分析66-67
• 5.5.3 自恢复机理67-68
• 5.6 本章小结68-70
• 结论70-71
• 参考文献71-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果77-79
• 致谢79

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