锂离子电池负极材料钒酸锂/碳基体复合物的制备及其电化学性能

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钒酸锂材料作为锂离子电池负极材料,因其具有比碳材料更高的安全性能和比钛酸锂材料更高的能量密度,成为近年来的研究热点。但是,导电性能差是限制其应用的主要瓶颈,研究人员通常采用构筑特殊结构和与导电基体复合两种方式来改善钒酸锂材料的导电性,提高其比容量和倍率性能。本文通过结构设计分别制备了钒酸锂夹杂RGO堆叠层的Li3VO4/RGO、具有三维导电网络结构的LVO/CRGO微球、由C包覆钒酸锂颗粒堆积而成的多孔空心Li3VO4/C微球等钒酸锂/碳材料复合负极材料,系统考察了其作为锂离子电池负极材料时的电化学性能。主要研究内容如下:  1.以V2O5和LiOH为前驱体,以石墨烯为复合基体,设计构筑了具有Li3VO4夹杂于RGO堆叠层的Li3VO4/RGO复合负极材料。系统研究了煅烧温度对产物结晶度及分散性的影响规律,考察了其对电化学性能的影响规律。研究结果表明,600℃煅烧所得典型产物Li3VO4/RGO-600具备更优异的结晶性能和颗粒分散度。石墨烯导电基底的引入不仅解决了Li3VO4材料导电性差的缺点,提高锂离子传输效率;还可以抑制Li3VO4颗粒的团聚,降低其原生纳米颗粒的粒径。将典型产物Li3VO4/RGO-600作为负极材料组装成扣式电池进行测试,电极在0.2A g-1(0.5C)恒定电流下,首次可逆容量达495.6mAh g-1,经过100次循环后仍能保持在365.9mAh g-1;在4Ag-1(10 C)的大电流密度下,放电比容量可达到332.9mAhg-1。  2.采用喷雾热解法,设计构筑了具有三维导电网络的LVO/CRGO复合空心微球,系统研究了石墨烯复合基体的引入对材料形貌结构及电化学性能的作用。将LVO/CRGO用作锂离子电池负极材料,在0.08A g-1(0.2C)电流密度下首次放电比容量达到618mAh g-1,经过100次循环后放电容量保持476mAh g-1;在4A g-1(10C)的恒定电流下经过500充放电次后,容量仍维持264.8mAh g-1。倍率性能上,LVO/CRGO电极在电流密度24A g-1(60C)下的容量可保持在133.6mAhg-1。石墨烯的引入在热解过程中构筑形成了三维导电网络,抑制了负载在其表面的钒酸锂颗粒的团聚和粒径生长;在充放电过程中,可以保持微球的结构稳定性,有效地提高了材料的循环可逆性和倍率性能。  3.采用喷雾热解法,以乙酰丙酮氧钒(VO(C2H5O7)2)为前驱体,设计构筑了具有空心结构的Li3VO4/C多孔微球,系统考察了热解温度对最终产物的形貌结构和结晶程度的影响规律。结果表明,550℃热解所得产物结晶程度高,能够良好保持热解过程中钒源分解形成的V2O5@C核壳结构微球。作为锂离子电池负极材料进行测试表征,在80mAg-1(0.2C)恒定电流下,首次放电比容量达到548mAh g-1,经过100次循环后容量能够保持次圈容量的84.2%;在倍率性能方面,Li3VO4/C-550电极放电容量随电流密度增加衰减程度较小,在10C、30C的电流密度下,电极分别能够保有225、201mAh g-1的放电比容量。优异的循环性能及倍率性能主要源于由C包覆Li3VO4颗粒堆积而成的多孔结构,在提高材料堆积密度的同时有利于电解液的渗透。
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