无序岩盐Li3V2O5负极的空气气氛化学法制备及电化学性能研究

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近年来新能源汽车的发展使快充技术的重要性日益突显,而传统石墨负极在超大倍率下难以提供可观的容量,且性能衰减严重,因此亟需开发具备快速充放能力的锂离子电池负极材料。无序岩盐(Disordered Rock Salt,DRS)结构Li3V2O5负极材料因其特有的三维0-TM(Transitional Metal)锂离子跃迁方式具有很高的扩散系数以及一定的赝电容特性,在超大倍率下依然能够保持较高的可逆比容量和循环能力,是一种极具潜力的快充电池负极材料。DRS-Li3V2O5材料现有的制备路线是采用高度活泼的正丁基锂在氩气保护下对V2O5进行锂化,有着危险、低效、价格昂贵等固有的缺点,严重限制了该材料的大规模应用。本文针对以上问题,开发安全高效的DRS-Li3V2O5制备方法并系统研究了无序岩盐负极的锂嵌入机制;从晶体结构角度研究了电化学锂化与化学锂化的差异,揭示了畸变与迁移势垒的内在关系;进一步简化制备条件,发现了一定湿度条件下LiOH沉积层改善性能的特殊机制。采用廉价稳定的萘锂作为锂化试剂,在氩气/空气氛围下均成功制备出具有优异电化学性能的纯相DRS-Li3V2O5材料。Ar-LVO在10 s充/放电下表现出65mAh/g的充电比容量,2000次循环容量保持率81.2%;Air-LVO在36 s充/放电下比容量120 mAh/g,1200次循环容量保持率83.6%。通过恒电流间歇滴定法(Galvanostatic Intermittent Titration Technique,GITT)、赝电容等电化学表征开展了锂嵌入机理的研究,发现了“先表面相变后内部相变”的嵌入过程以及由相变控制的赝电容机制,改变了无序岩盐负极的快充放能力仅来自于其优异的扩散行为的认识。采用第一性原理计算研究了由化学锂化产生的非晶区域对锂离子迁移势垒的影响,结果表明畸变较小或四面体空位变大的情况下势垒与迁移锂原子距离呈现正相关,而较大畸变下势垒受四面体空位畸变程度控制,势垒随畸变率增加显著变大,较为准确地解析了结晶度与电化学性能之间的关联。为了推进DRS-Li3V2O5材料的实用化,采用物理表征与理论计算相结合的方式研究了在不同湿度条件下的锂化行为。发现在较高湿度(High-Humidity)下由于萘离子失效而产生的OH-会夺取单溶剂化Naph-Li-1DME的配位点从而形成(DME)2Li+OH-的溶剂化形式,阻碍了LiOH的均质形核,而溶剂DME在材料表面的分解产生了浓度梯度,促进了(DME)2Li+OH-在Li3V2O5材料表面脱溶剂化,从而导致LiOH在表面进行异质形核。以此机制为理论指导制备出的High-Humidity-Li3V2O5材料具有优异的电化学性能,0.1 A/g下可逆容量比空气氛围下制备的纯相DRS-Li3V2O5高出30%,达到220 mAh/g;1 A/g下可逆容量达到180 mAh/g,循环400次无衰减。通过TEM证实材料表面存在LiOH层,并采用XPS、XRD等表征手段揭示了表面LiOH层可减缓材料表面微退化、抑制SEI膜分解,最终诱导生成高结晶性贫锂相以提升电化学性能,为DRS-Li3V2O5材料的实用化作出了一定的贡献。
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