硅酸钒锂正极材料的合成与性能研究

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本研究选取三种硅酸钒锂系材料,通过合成与电化学性能的探究,筛选一种综合性能较好的材料作为锂离子电池正极材料,并进一步对其组成、合成方法、结构与电化学性能进行了系统深入的研究。1. 采用溶胶凝胶法,分别探究了碳含量对Li2(VO)SiO4、LiVSi2O6、LiVO2/Li2SiO3及其电化学性能的影响。研究结果表明,当碳加入量为10%时,合成了四方晶系的纯相Li2(VO)SiO4,其0.1C首次充放电比容量为89.5 m Ah/g;当碳加入量为20%时,得到了单斜晶系的纯相LiVSi2O6,其0.1C首次充放电比容量为138.7 m Ah/g;当碳加入量为20%时,得到了LiVO2/Li2SiO3复合材料,其0.1C首次充放电比容量最高为156 m Ah/g。通过综合对比,发现LiVO2/Li2SiO3复合相材料具有良好电化学性能,实际脱嵌超过1摩尔锂,不仅充放电比容量高,而且其电压范围可达到0.5 V-4.9 V,大于常见的3 V-4.3 V。因此确定对LiVO2/Li2SiO3复合材料进行进一步系统深入研究。2. 采用溶胶凝胶法,研究了烧成温度制度对合成Li2SiO3/LiVO2复合材料的相组成、结构与电化学性能的影响,并探讨了充放电循环对材料组成的影响。结果表明,当温度达到900℃保温10h时可获得稳定复合相;结构上,发现随着温度升高,晶体生成导致整体颗粒尺寸逐渐增加,出现块状和葡萄状两种形态颗粒,随着保温时间延长,出现块状大颗粒晶粒尺寸减小,葡萄状小颗粒晶粒尺寸增大的趋势;电化学性能上,发现在800℃以下时,由于升高温度促进了复合相的生成,首次放电比容量随温度升高而升高,由于保温时间延长了材料结构稳定性加强;在800℃以上时首次放电比容量随保温时间延长而增强,0.1 C下最高可达到108 m Ah/g,倍率性能随保温时间延长而提升,1 C下最高比容量可达到64m Ah/g。3. 采用水热法,研究了水热时间和烧成温度制度对合成Li2SiO3/LiVO2复合材料的相组成、结构与电化学性能的影响,并探讨了充放电循环对材料组成的影响。研究结果表明,当水热时间12 h,温度达到900℃,保温6 h时才能可以获得稳定复合相;在结构上,延长水热时间对纳米颗粒分散程度影响较小,随着温度升高,颗粒尺寸分布更加均匀,当温度900℃保温时间超过6 h后延长保温时间对结构影响很小;电化学性能上,随着温度的升高和保温时间的延长,晶相趋于稳定,首次放电比容量逐渐增加,0.1 C下最高可达到183 m Ah/g。倍率性能受温度影响较大,保温时间延长会提升材料稳定性,降低循环过程中不可逆相变发生机率,提升倍率性能,1 C倍率下放电比容量最高可达到73 m Ah/g。
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