钒氧化物正极材料的形貌调控、预锂化及电化学性能研究

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目前,由于可充电的锂离子电池的能量密度高和稳定性较好,在大多数的便捷电子设备中被使用。在大多数的正极材料中,钒氧化物由于较高的比容量以及较大的能量密度被广大科研工作者关注。而在实际的充放电循环过程中,面临锂离子嵌入量往往达不到理论容量和实际循环性能较差等问题。本文研究表明通过制备纳米正极材料能够有效的提高锂离子电化学性能,并且通过预锂化手段能够稳定材料的结构。(1)以水热法制备的VOx纳米片为前驱体,通过对前驱体进行不同温度的煅烧,获得形貌均匀的纳米片V6O13,但不同的温度煅烧对钒氧化物的物相有较大的影响。在400°C下获得较纯的V6O13相。作为锂离子电池正极材料时,在超大的电流密度下(2000 m A/g)循环300次仍具有98%的容量保持率。优异的循环性能主要是由于超薄的二维纳米片结构极大的缩短了锂离子扩散迁移距离。(2)采用简单的水热法结合热处理,制备了海胆状V6O13。海胆的直径为8-10μm。并且通过改变反应溶液中NH4VO3和草酸的比例,进行离子调控,分别得到了三种不同的形貌,纳米带、微花和海胆形貌,虽然所得到的物相均为V6O13,但形貌完全不一样。海胆状V6O13具有更高的比容量(100 m A/g时具有375.7m Ah/g),即使在大电流密度(1 A/g和2 A/g)下循环100次后,容量保持率分别为85%和81%。海胆状形貌具有较大的比表面积和规则的形貌,是电化学性能优异的主要原因。(3)为提高V6O13和VO2(B)的储锂性能,通过二次水热法合成预锂化V6O13纳米片和预锂化VO2(B)纳米带。与未锂化的V6O13纳米片相比,预锂化的V6O13纳米片具有更高的比容量和更好的倍率循环性能。同时,预锂化的VO2(B)与纯VO2(B)纳米带相比,预锂化后的VO2(B)纳米带表现出均匀分散的形态,具有较大的比表面积。预锂化的VO2(B)纳米带在循环稳定性和高倍率性能方面表现出更好的电化学性能。由于预锂化后晶格的扩大,预锂化VO2(B)中的锂离子扩散系数增大。预锂化的VO2(B)纳米带正极表现出264 m Ah/g的高比容量,即使在100次循环仍具有81.6%的容量保持率。预锂化的VO2(B)电极表现出出色的长周期循环稳定性(在1000 m A/g下循环800次后容量保持率为87.2%)。
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