稀有元素掺杂对Li3V2(PO4)3正极材料性能的影响
Li3V2(PO4)3作为当今较新型的锂离子电池正极材料之一，在大容量动力锂离子电池研发方面其拥有巨大的应用潜力。研究表明，Li3V2(PO4)3跟LiCoO2的放电平台和能量密度相同，但是其安全性以及热稳定性要远远优于LiCoO2，LiMn2O4和LiFePO4。较之LiFePO4等其他的锂离子电池正极材料，单斜晶系的Li3V2(PO4)3化合物拥有更高的Li+离子扩散系数及更高的放电电压(3.6V，4.1V和4.6V)和能量密度(用碳包覆后为2330mWh/cm3)。但是单斜结构的Li3V2(PO4)3具有较低的电子电导率和较差的高倍率充放电能力，且现有的制备方法也存在操作繁复、制备产品粒径过大、杂质多等系列问题，以致该材料的大规模商品化生产受到了极大的限制。因此，本文采用一种新型的微波辅助溶胶凝胶法合成了单斜晶的Li3V2(PO4)3，并通过稀有元素掺杂的方法对其进行改性，大大缩短了反应时间，优化了材料的电化学性能。具体内容如下:
第一章简要地介绍了锂离子电池的发展史和分类;锂离子电池的结构及工作原理;并综述了磷酸钒锂正极材料的研究进展。
第二章主要介绍了论文中所用到的实验方法和仪器，并对电池的组装和常用的结构，电化学测试手段及正极片的的制备等进行了详细的阐述。
第三章介绍了微波辅助溶胶-凝胶法合成Li3V2(PO4)3/C的实验过程并探索了各相关参数及最佳实验条件。实验以Li2CO3为锂源、V2O5为钒源、NH4H2PO4为磷源，柠檬酸为碳源和螯合剂，在溶胶-凝胶法的基础上辅助以微波法合成了单斜晶的Li3V2(PO4)3/C。研究表明，在400W下微波10min可以得到结晶良好、无杂质且性能最优的纯相Li3V2(PO4)3/C，其在0.2C的倍率下首次放电比容量为166.4mAh/g，对应的库伦效率高达94.1％。
第四章以微波辅助溶胶-凝胶法合成Ce掺杂的Li3V2-x Cex(PO4)3/C(x=0，0.01，0.02，0.03，0.05，0.10)。并利用热重(TG-DTA)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电化学工作站等测试手段对材料进行测试，以研究掺入Ce对Li3V2(PO4)3/C结构及电化学能的影响，并得出其最佳掺杂量x=0.02。结果表明，在3.0～4.8V电压范围内以0.2C的放电倍率进行放电时，Li3V1.98Ce0.02(PO4)3/C的首次充电比容量为191.8mAh/g，放电比容量可达180.7mAh/g。100个循环后，Li3V1.98Ce0.02(PO4)3/C的放电比容量仍保持在174.6 mAh/g，容量保持率为96.6％。
第五章同样以微波辅助溶胶-凝胶法合成La掺杂的Li3V2-x Lax(PO4)3/C(x=0，0.05，0.1，0.15，0.20)系列化合物，并用相同的测试手段对其进行物理和化学测试，得出其最佳掺杂量为x=0.1，此时其在3.0～4.8V电压范围内以0.2C的放电倍率进行放电的首次放电比容量可达177.8 mAh/g，库伦效率为96.3％。50个循环后，材料的放电比容量仍保持在170.4 mAh/g，容量保持率为95.8％。
第六章对本论文所取得的成果进行了总结并对未来的研究工作做出了展望。
磷酸钒锂;稀有元素;微波辅助;溶胶凝胶;正极材料
南昌大学
硕士
物理化学
杨震宇
2013
中文
TM910.4
73
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）