锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3的制备及其性能研究

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随着经济社会的发展,化石燃料引发的能源和环境危机迫使人们开发新型、可再生、清洁能源。锂离子电池由于材料无污染、稳定性好等优点在电动汽车以及智能储能电网等大功率领域的运用需求越来越迫切。单斜结构的Li3V2(PO4)3因其具有较好的脱嵌性能且价格低廉、制备简单、环境友好以及理论容量高等优点将是未来高功率高容量锂离子电池正极材料的主要候选材料之一。但是,由于Li3V2(PO4)3结构中的V06八面体被P04四面体分离,导致该材料的电导率偏低,限制了其大规模应用。本文通过包覆、掺杂等方法对其进行改性研究并达到提高LVP材料的电化学性能的目标。结果表明:当葡萄糖用量为10wt%时,采用溶胶-凝胶法在800℃烧结8h合成的Li3V2(PO4)3/C材料电化学性能最优,且经循环后其单斜结构仍保持不变。在合成过程中,由于加入了表面活性剂一缩二乙二醇和疏松剂NH4NO3,使Li3V2(PO4)3呈现类球形,同时Li3V2(PO4)3球之间的黏连度也显著降低。随着葡萄糖的加入,颗粒的粒径逐渐变小。当葡萄糖用量为10wt%时,400nm~-1μm的Li3V2(PO4)3球均匀的分散在剩余的碳层中,并表现出了最优的电化学性能,在0.1C、1C、10C和20C下的放电比容量分别为131.8mAhg-1、126.5mAhg-1、102.4mAhg-1和82.8mAhg-1.通过计算,其锂离子扩散系数DLi+是3.37×10-9cm2s-1,也远高于其他的材料。对Li3V2(PO4)3进行了Ce02的包覆改性,发现:Ce改性Li3V2(PO4)3时,Ce没有进入Li3V2(PO4)3晶格,而是以Ce02形态存在于LVP颗粒表面。Ce02引入后,由于颗粒尺寸减小和电导率提高,使得Li3V2(PO4)3的电化学性能显著改善。与未改性的纯相相比,Ce02包覆改性的样品Li3V2(PO4)3在容量、倍率性能和循环稳定性等方面均有显著的改善,在0.1C下可释放出高达129.9mAhg-1的比容量,1C循环200圈后其容量保持率为93.8%;原因是Ce02包覆能有效抑制V在电解液中的溶解,提高Li3V2(PO4)3的结构稳定性,降低电荷转移电阻。对Li3V2(PO4)3进行了Co的掺杂改性,结果表明: Co掺杂Li3V2(PO4)3复合材料的容量、循环性能和倍率性能得到了明显的提高,这是因为Co引入后,材料的颗粒尺寸减小、电荷转移电阻降低以及结构稳定性得到了提高。
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