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近年来,随着全球信息业的迅速发展,移动通信、笔记本电脑等各种小型便携式电子设备对电池的需求量迅速增加;其中,锂电池以其高的能量密度以及设计的灵活多样性等优势而成为人们的首选。锂电池的性能很大程度上决定于其正极材料,因而进一步提高锂电池正极材料的性能对于提高电池的综合性能有着重要的意义。过渡金属钒氧基材料由于具有独特的层状结构以及良好的动力学性能,在锂一次电池以及锂二次电池中具有潜在的应用价值,近年来逐渐引起了人们的关注。
作为高能化学电源的核心部分,电极材料的大小,结构与表面形貌将显著影响着电池的能量密度、安全性能以及循环寿命等性能。纳米材料由于其独特的结构特征,使得它具有与块状材料明显不同的物理与化学性质。另一方而,电极材料是高能化学电源和纳米技术快速发展的交叉领域,其合成、表征与性能研究有重要的意义。因而,将纳米电极材料应用于锂电池中,将是提高现有电池的综合性能的一种有效的方式。目前,关于纳米级过渡金属钒氧基电极材料研究方面的报道还较少。
本论文总结了锂电池以及锂电池正极材料的研究进展,并开展了一维纳米过渡金属钒氧基电极材料的合成、表征及其作为锂电池正极材料应用方面的基础研究。利用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等技术对电极材料的微观结构和形貌进行了分析,采用恒电流充放电、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(ElS)等技术测试其电化学性能。并就材料结构、粒径大小对材料电化学性能的影响做了初步的探讨。
主要内容如下:
(1)采用水热技术合成出了Ag<,2>V<,4>O<,11>纳米线。分析Ag<,2>V<,4>O<,11>米线的形成过程显示:Ag<,2>V<,4>O<,11>一维结构的形成足一个品粒不断生长、熟化的过程。电化学性能测试结果表明:Ag<,2>V<,4>O<,11>纳米线作为锂电池正极材料具有比商业的Ag<,2>V<,4>O<,11>材料更高的放电比容量和高倍率放电性能。以2 mA g<-1>的电流密度放电,其放电比容量可达 366 mAh g<-1>,比商业Ag<,2>V<,4>O<,11>电极提高了16%。Ag<,2>V<,4>O<,11>一维纳米电极材料良好的电化学性能源于纳米材料结构上的特点,纳米线的高比表面积和相对较短的锂离子固态扩散路径,有效地改善了其固态扩散动力学,并有效地增大了活性物质与电极间的接触,减小了电池内阻,从而显著地提高了其电化学性能。
(2)采用水热技术合成出了α-AgVO<,3>微米棒和β-AgVO<,3>纳米线。通过改变反应时间、体系pH值等反应条件实现了对AgVO<,3>一维纳米/微米结构材料的可控制备,通过实验进一步提出了 AgVO<,3>一维纳米/微米结构材料“熟化一分裂”过程的生长机理。电化学性能的测试显示:α-AgVO<,3>微米棒与β-AgVO<,3>纳米线作为锂电池正极材料均具有较高的放电比容量和稳定的放电性能,特别是β-AgVO<,3>纳米线作为锂电池正极材料具有比Ag<,2>V<,4>O<,11>和α-AgVO<,3>更高的高电位放电容量。通过结合实验结果对α-AgVO<,3>与β-AgVO<,3>的放电过程进行了分析。
(3) 采用水热法得到了α-CuV<,2>O<,6>纳米带。电化学性能测试结果表明:α-CuV<,2>O<,6>纳米带作为锂电池正极材料具有良好的放电比容量和高倍率放电性能。在60℃的高温环境中仍能够稳定的放电,并且其放电比容量比任室温下的放电比容量增加了46%。