钒系氧化物微纳结构的制备及其电化学性能研究
作为一种清洁可靠的储能技术，锂离子电池在众多领域中有着广泛的应用。随着各种用电设备的发展，对锂离子电池的倍率性能及能量密度提出了更高的要求。因此，寻找能够提供高能量密度的电极材料仍十分关键。由于金属钒特有的电子结构，钒系氧化物有着丰富的氧化态，能够与氧形成各种不同的配位多面体结构和组合形式，为通过调节钒系氧化物的晶体结构，进而实现对结构相关性质调控提供了可能。因此，钒系氧化物近年来受到了人们广泛的关注和深入的研究，尤其是其在能源相关领域的应用，如锂离子电池和超级电容器等。而寻找能够应用于上述方面的新型钒系氧化物也是目前人们研究的热点之一。 本论文以钒系氧化物为研究对象，通过简单的固相及液相反应对钒系氧化物的微纳结构进行调控，并考查所获得的钒系氧化物在锂离子电池中的电化学性能。通过不同表征手段，在了解所得钒系氧化物的微纳结构及表面结构的基础上，结合电化学手段，对钒系氧化物微纳结构与电池性能的结构-性能相关性进行初步探讨。具体内容如下: (1)通过溶剂热结合高温煅烧的方法合成了V2O5微米花状结构，该结构由相互分立的纳米薄片组成。经过电化学测试，该结构在高电流密度下展示了优异的循环性能，在1Ag-1的电流密度下循环1500圈，容量高达104mAh g-1;即使电流密度提高到2Ag-1，经过3000次循环之后，容量仍可保持在80mAh g-1以上，衰减极低，为目前文献报道中单一组分V2O5循环寿命最长的结果。通过循环伏安法结合交流阻抗谱的测试与分析，该结构与以往所报道的V2O5储锂机制有所不同，其在充放电过程中所表现出的电化学行为有一定电容行为的贡献，因此该结构的高倍率循环性能十分优异。 (2)通过在真空条件下高温加热的方法，对固相法得到的Li3VO4粉末进行处理，得到了内部为结晶态，外部为无定形层的Li3VO4-δ，结构测试表明无定形层中含有V4+和氧空位缺陷。详细考查了二者的电化学性能，我们发现，较之于Li3VO4，Li3VO4-δ的可逆容量及首次充放电的库伦效率均有明显的提高。其指标上的改善可归因于无定形层中的空位缺陷促进了Li3VO4-δ中锂离子传输的动力学。该方法简单易行，未对Li3VO4的形貌和尺寸进行任何调控，也未对Li3VO4进行任何碳材料的包覆，避免了碳材料或其他物质的引入带来的负面影响，为Li3VO4的改性提供一条新的思路和途经。 (3)通过溶剂热与高温煅烧相结合的方法得到了具有介孔结构的Li3VO4多孔纳米颗粒。经过电化学测试表明，纳米尺寸、多孔结构的特点有利于提高Li3VO4的电化学性能。该结构在高电流密度下展示了优异的循环性能，在1 Ag-1的电流密度下循环800圈，容量达302mAh g-1;电流密度提高到2Ag-1，经过1000次循环之后，容量仍可保持在209mAh g-1以上。通过对Li3VO4多孔纳米颗粒进行循环伏安法测试，我们对其峰值电流等参数与电压扫描速率进行相关性分析，结果表明Li3VO4多孔纳米颗粒的电化学行为，近似于有机电解液中的赝电容行为，因而大倍率性能优异。这为进一步研究Li3VO4的储锂机制及其性能的提升提供一条新奇而有趣的思路。
纳米材料;钒系氧化物;锂离子电池;电极材料;电化学性能
山东大学
博士
无机化学
钱逸泰
2015
中文
TQ135.11;TM924.11
108
2015-10-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）