《基於VO2的金屬相變設計和製備動力鋰離子電池電極材料》是依託北京航空航天大學，由楊樹斌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於VO2的金屬相變設計和製備動力鋰離子電池電極材料
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：楊樹斌
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋰離子電池具有電壓高、比能量大等優點，在電動汽車、航空太空飛行器等大型設備上具有廣闊的套用前景。但目前動力鋰離子電池在高倍率充放電時存在電流大、內阻高，易造成電池局部溫度過高和容量衰減快等問題。為此，本課題提出基於VO2的金屬相變特性設計適用於動力鋰離子電池電極材料的新思路。以期以氧化石墨烯為生長點，實現超薄VO2和摻雜VO2納米片或納米帶的可控制備，利用其金屬相變降低電極材料的歐姆極化電阻，結合其超薄特性降低電荷傳遞電阻和鋰離子固相擴散時間，從而提高電池材料的導電性和高倍率性能。探索VO2和摻雜VO2相變後充放電過程中材料結構的變化，明晰溫度、相變和儲鋰三者之間的關係以及儲鋰機理。並系統研究摻雜元素和摻雜量對VO2材料不同溫度電化學性能和動力學的影響，探明影響此類材料儲鋰性能的關鍵因素，為適用於電動車和特定環境航空太空飛行器用動力鋰離子電池電極材料的設計、製備和實際套用奠定基礎。
結題摘要
鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大等優點，在電動汽車、航空太空飛行器等大型設備上具有廣闊的套用前景。但目前動力鋰離子電池在高倍率充放電時存在電流大、內阻高，易造成電池局部溫度過高和容量衰減快等問題。為此，本課題提出基於VO2等釩基材料的特性，構築適用於動力鋰離子電池電極材料的新思路，利用材料相變、元素摻雜和複合等措施降低電極材料的歐姆極化電阻，電荷傳遞電阻和鋰離子固相擴散時間，從而提高電池材料的導電性和高倍率性能。主要研究內容如下：（1）VO2/石墨烯複合電極：通過調節氧化石墨烯的超聲時間和水熱過程中的容積率，獲得二氧化釩與石墨烯緊密結合的具有較高充放電容量電極材料；同時採用微波合成法快速（5-30 min）製備具有三維網路結構的VOx/石墨烯電池正極，此電極為鋰離子提供更多嵌入空間及更好的熱力學嵌鋰位置。（2）高導電性氮化釩/石墨烯三維凝膠電極：通過GO和NH4VO3的水熱以及後續的在氨氣氣氛下的熱處理製備石墨烯-氮化釩量子點三維凝膠複合物，提供了一種有效構建2D-0D的方法，提供鋰離子和電子的快速傳輸通道。（3）鎢摻雜VO2：通過水熱法製備鎢摻雜VO2(B)三維網路正極材料，由於鎢的摻雜極大的降低了VO2的金屬相變溫度，有利於電子的快速傳導，獲得倍率性能優異的鋰離子電池正極材料。在完成本課題設定目標後，近一步研究多價離子在釩化合物中儲存和傳輸機制，具體如下：（4）VO2(B)納米纖維儲鋅機理研究：通過原位X射線衍射和各種電化學表征，證明了VO2(B)納米纖維是一種新的在獨特隧道中的插層贗電容和超快鋅離子儲存的動力學行為。VO2(B)納米纖維表現出高可逆性容量357 mAh g-1，出色的倍率性能和高能量和功率密度。（5） VOxNy儲鋅機理研究：通過首次充電電化學活化反應，岩鹽結構氮化釩（氮氧化釩）的高價氮離子（N3-）被低價氧（O2-）離子取代，產生具有大量空位/缺陷的陰離子無序岩鹽結構的正極材料；此無序岩鹽結構的VOxNy表現出高可逆容量，出色的倍率性能（9.6×104 W kg-1，600 C）和長的循環壽命。
