锂离子电池Li3VO4负极材料的研究

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锂离子电池因为其高的能量密度和功率密度在日常生活中被广泛应用。负极材料是锂离子电池不可缺少的一部分,合适的工作电压和较高的比容量是当下对其研究的主要方面。Li3VO4作为一种新型的锂离子电池负极材料,具有理论比容量高(394mAh g-1)、较高的离子电导率、层状结构使锂离子嵌入和脱出过程中体积变化小,稳定性好等优点。然而Li3VO4也存在不足之处,例如电子电导率低,这就限制了该电极材料在实际生活中的广泛应用。因此,本文对Li3VO4进行了一系列的改性研究,来提高其电化学性能,具体研究内容有以下两点:  (1)通过将Li3VO4在纯氢气中退火,利用氢气的还原性,在材料表面引入氧空位,这种氧空位缺陷的存在提高了电极材料的表面能,其中氢气中退火15min的样品(LVO-15)的表面能最高,为60.67mJ m-2,说明氧空位作为高能位点,为相转变提供了更多的活性位点,使更多的锂离子嵌入电极材料中,有利于电极材料比容量的提高。同时,这些高能位点降低了发生相转变所需要克服的势垒,有利于相转变的进行,提高电极材料的倍率性能。研究发现,LVO-15电极的倍率性能和循环性能得到很大提高,在0.1Ag-1电流密度下,比容量高达495mAh g-1,而初始样品此时的比容量仅为386mAh g-1。  (2)采用简单的溶液方法制备出铜掺杂Li3VO4,并调控掺杂量,研究铜离子掺杂对Li3VO4电化学性能的影响。研究结果表明,掺杂量为10%的电极材料(LVO-0.10Cu)相比于其他掺杂量的电极和原始电极,具有最高的锂离子扩散系数(2.79×10-14cm2s-1)和比表面积(16.1m2g-1)。同时,该电极具有较高的比容量和具有优势的倍率性能。在1,2,4,8Ag-1的电流密度下对应的比容量分别为440,420,379,335mAh g-1,而在8Ag-1电流密度下原始电极材料(LVO)的比容量仅为168mAh g-1,仅为样品LVO-0.10Cu在相同条件下比容量的1/3。通过分析发现,铜离子掺杂一方面引入V4+,使晶格间距得到一定程度扩张,有利于锂离子的嵌入和脱出,另一方面铜离子在第一圈充放电循环过程中被不可逆地还原成铜单质,均匀分散在电极材料中,铜单质高的电子导电性有助于提高电极材料的电子电导率,因此铜掺杂Li3VO4的电化学性能得到明显提升。
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