鋰離子電池電極材料的合成與性質(zhì)研究.pdf

1、近年來，鋰離子電池因其優(yōu)異的性能，發(fā)展十分迅速。鋰離子電池的優(yōu)異性能在很大程度上取決于正、負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜的選擇和制備，其中正、負(fù)極材料顯得尤為重要。目前正極材料研究的熱點(diǎn)主要集中在層狀Li<,x>MO<,2>和尖晶石型Li<,x>Mn<,2>O<,4>結(jié)構(gòu)的化合物上(M∶Co，Ni，Mn，V 等過渡金屬離子)。由于Co的資源有限，導(dǎo)致Li<,x>CoO<,2>類正極材料價(jià)格昂貴，具有完整結(jié)構(gòu)的Li<,x>NiO<,2>制備較為困

2、難，Li<,x>Mn<,2>O<,4>在使用過程中容量下降快。鋰釩氧化物類正極材料(Li<,1+x>V<,3>O<,8>等)容量大、價(jià)格低，但由于釩的多價(jià)態(tài)導(dǎo)致鋰釩氧化物類正極材料制備困難，如果考慮價(jià)格、材料的容量、環(huán)保等因素，鋰釩氧化物類正極材料更具有實(shí)際使用價(jià)值，所以鋰釩氧化物類正極材料被越來越多的研究者認(rèn)同為是新一代最具發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池正極材料。 負(fù)極材料的研究重點(diǎn)將朝著高比容量(特別是體積比容量)、高充放電效率、高循

3、環(huán)性能和較低的成本方向發(fā)展，實(shí)用性負(fù)極材料的比容量將突破LiC<,6>理論比容量(372mAh·g<'-1>)。近年來，納米材料科學(xué)的發(fā)展給負(fù)極材料帶來了希望。我們知道，納米材料具有較大的比表面積，較小的粒子半徑。在我們的電池中，電極材料如采用納米材料，鋰離子便可以在更多的位置同內(nèi)部原子或分子發(fā)生反應(yīng)，向內(nèi)部擴(kuò)散的路徑從而大大縮短，所有這些因素必然使納米材料具有良好的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。因此，可以預(yù)見納米層狀負(fù)極材料是未來負(fù)極材料研究熱點(diǎn)。

4、 本文采用流變相法合成了LiV<,3>O<,8>、摻雜改性的化合物L(fēng)i<,1-3x>Y<,x>V<,3>O<,8>(x=0.02,0.04,0.06)以及納米WS<,2>和MoS<,2>電極材料。用XRD方法對(duì)所得的目標(biāo)化合物的晶體結(jié)構(gòu)了表征，用TEM技術(shù)觀察了晶體顆粒的大小和形貌。同時(shí)對(duì)該這些化合物的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用流變相法首次合成的LiV<,3>O<,8>、Li<,0.82>Y<,0.06>V<,3>O<,8

5、>、納米WS<,2>和MoS<,2>材料具有獨(dú)特電化學(xué)性質(zhì)，使其有望成為有潛力的鋰離子電池電極材料。(1)通過流變相反應(yīng)，以LiOH和V<,2>O<,5>為反應(yīng)物，在低溫條件下制備了LiV<,3>O<,8>，在1.5～3.85 V范圍內(nèi)，LiV<,3>O<,8>的初始放電容量為255mAh/g，經(jīng)過三次放電后，電池得到活化，放電容量達(dá)到276 mAh/g。在經(jīng)過循環(huán)23次后放電比容量仍在230 mAh/g。容量衰減9％。(2)采用流變相

6、方法，成功地合成了摻雜釔后的化合物L(fēng)i<,1-3x>Y<,x>V<,3>O<,8>(x=0.02，0.04，0.06)，摻雜稀土釔后的仍屬層狀結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了LiV<,3>O<,8>結(jié)構(gòu)中的層面間距離，對(duì)于鋰離子的嵌入與脫出以及改善其電流倍率性能十分有利。正極材料LiV<,3>O<,8>摻雜Y<'3+>后，容量降低，且容量隨摻雜量的提高而下降，但摻雜Y<'3+>可以使該材料作為正極時(shí)的循環(huán)性能得到有效的改善。綜合容量和循環(huán)性能等因素考慮，L

7、i<,1-3x>Y<,x>V<,3>O<,8>(x=0.06)化合物的電化學(xué)性能最佳，在充放電過程中具有較好的循環(huán)可逆性?？梢?，摻雜釔后的化合物L(fēng)i<,1-3x>Y<,x>V<,3>O<,8>是具有應(yīng)用前景的鋰離子電池正極材料。(3)流變相法制備出的灰黑色粉末屬于2H-MoS<,2>結(jié)構(gòu)的納米片，并部分形成納米管，平均直徑為240nm，產(chǎn)物屬六方晶系，a=0.3125nm c=1.2302nm。電化學(xué)測試表明，當(dāng)電池以60mA/g電流密

8、度充放電，電壓范圍為3～0.01伏內(nèi)循環(huán)時(shí)，首次放電容量為1174.7mAh/g，可逆容量為851.5mAh/g。表現(xiàn)良好的放電性能，并對(duì)MoS<,2>構(gòu)米材料的儲(chǔ)鋰機(jī)理進(jìn)行了探討。該材料獨(dú)特的電化學(xué)性能有望應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料。(4)用流變相反應(yīng)方法，成功地合成了WS<,2>，該化合物屬于六方晶系，該材料形貌為納米片，并部分形成納米管。由于該材料具有較高的比容量，而且具有良好的循環(huán)性能(經(jīng)過20次循環(huán)后充電容量還保持在680mAh