Li3VO4负极材料结构设计及电化学性能研究

• 作 者: 康桃
• 出 处: 三峡大学
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 锂离子电池 钒酸锂 复合 电化学性能

Li₃VO₄是一种新型嵌入/脱嵌型锂离子电池负极材料,对比于已商用石墨类负极材料具有更高体积比容量和更好的安全性能,对比于已商用Li₄Ti₅O₁₂负极材料具有更高的比容量,更低的充、放电电压。这些优点使得Li₃VO₄逐步成为国内外科研人员研究和关注的热点材料。然而,Li₃VO₄的电子导电性较低,导致其倍率性能不理想。为解决此问题,目前研究者广泛采用的改性方法有:纳米化、碳包覆、导电基体上原位生长,使得Li₃VO₄的电化学性能有了较大改善。然而,Li₃VO₄的电化学性能仍需进一步提升,增强Li₃VO₄电化学性的方法尚需进一步拓展,相关机理尚需进一步深入研究。本论文旨在探索提升Li₃VO₄负极材料性能的新方法,并对Li₃VO₄性能提升机理进行研究,为Li₃VO₄负极材料研究提供借鉴和参考。首次通过与具有优异导电性能的Ag均匀复合（Ag@Li₃VO₄）,改善复合材料导电性,从而能增强其电化学性能;首次通过Li₃VO₄内部物相调控,获得LiVO₂@Li₃VO₄复合结构,利用高电子电导LiVO₂相增强复合材料导电性并改善材料电化学性能;优化合成方法,获得LiVO₂/Li₃VO₄复合多孔结构,改善复合材料反应动力学并提升电化学性能。本论文的主要内容如下:（1）通过前期水热和随后的固相反应制备Ag纳米颗粒均匀镶嵌于Li₃VO₄中的复合材料（Ag@Li₃VO₄）。研究结果表明,适量Ag添加（3%）能显著增强复合材料的导电性和锂离子扩散,从而能导致优异电化学性能。所制备Ag@Li₃VO₄（3%）复合材料作为锂离子电池负极材料显示了优异的电化学性能。其在150,300,600,750和1500 m A g^-1电流密度下显示了492,434,402,378和364 m Ah g^-1的放电容量,将电流减小到150 m A g^-1,放电容量可以恢复到483 m Ah g^-1。（2）通过内部物相调控获得了LiVO₂修饰的Li₃VO₄材料（LiVO₂@Li₃VO₄）。研究结果表明,LiVO₂的引入不仅可以缩小Li₃VO₄的颗粒尺寸,增强Li₃VO₄的电化学活性并提升其锂离子扩散,同时显著提高LiVO₂@Li₃VO₄复合材料导电性。最终,Li₃VO₄@LiVO₂复合材料显示了优异的电化学性能。其初始放电和充电容量分别为569和448 m Ah g^-1,经过100次循环后,放电和充电容量保持在471和468 m Ah g^-1。在100,200,500,1000,1500和2000 m A g^-1电流密度时放电比容量分别为473,421,356,295,251和214 m Ah g^-1。当电流密度降低到100 m A g^-1,放电容量可以恢复到478 m Ah g^-1。（3）通过优化合成方法,获得了LiVO₂/Li₃VO₄复合多孔结构。复合材料中,LiVO₂、Li₃VO₄的无定型态极大提升了材料反应活性,同时多孔结构有利于电解液与材料的充分接触与反应,显著增强材料反应动力学。最终,LiVO₂/Li₃VO₄多孔复合材料作为作为锂离子电池负极显示了优异电化学性能。首次放电和充电比容量为931和573.9m Ah g^-1。在150 m A g^-1电流密度下经过100次循环后放电比容量为622.4 m Ah g^-1,充电比容量为613.8 m Ah g^-1。