《正極材料磷酸釩鋰/碳的合成及電化學性能研究》是依託湖南大學，由韓紹昌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：正極材料磷酸釩鋰/碳的合成及電化學性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：韓紹昌
- 依託單位：湖南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
以Li/V原子配比、反應溫度及壓片壓力等為考察因素，採用固相反應法最佳化Li3V2(PO4)3的合成工藝制度；選取酚醛樹脂、環氧樹脂等熱解性前軀體為主要碳源，探討碳源、碳添加量、包覆厚度與均勻度對Li3V2(PO4)3電化學性能的影響及作用機制。選擇Fe、Mg、Al等廉價的金屬元素作為摻雜離子對Li3V2(PO4)3摻雜改性，探討摻雜離子對Li3V2(PO4)3的晶體結構的影響，尤其是對鋰離子傳輸和電子傳導的作用，尋求最佳的摻雜元素、摻雜量及摻雜位置。採用XRD、SEM及TEM等微觀表征手段重點考察離子摻雜和碳源包覆的作用機制。在最佳化摻雜和包覆的基礎上，探討高倍率性能及溫度對材料容量的影響，採用交流阻抗、循環伏安、恆電流充放電等電化學方法，評價Li3V2(PO4)3正極材料的綜合電化學性能，為Li3V2(PO4)3用於鋰離子電池打下理論和技術基礎。
結題摘要
單斜晶系的聚陰離子化合物磷酸釩鋰不僅具有穩定的NASICON晶體結構，還具有較高的能量密度、穩定的電壓平台，因而在用作儲能鋰離子電池的正極時潛力極大。本項目以磷酸釩鋰材料為對象，採取固相法和溶膠凝膠法進行合成、最佳化碳包覆及離子摻雜，從本體結構上探討改善磷酸釩鋰的離子擴散係數和電子電導率的機制，系統研究了其電化學性能。主要結果如下： 利用正交試驗對固相法的合成工藝進行研究，結果表明以Li2CO3、NH4H2PO4、V2O5和環氧樹脂為原料製備磷酸釩鋰時的最佳工藝為：球磨時間為3h、350℃預分解5h、燒結溫度為800℃、保溫時間為16h、鋰釩比為3.05:2.0。可製得性能優異的磷酸釩鋰正極，其顆粒分布十分均勻、粒徑較小。在0.2C時的首次放電容量為126.9mAh/g，30次循環後的放電容量為126.0mAh/g，具有較好的循環性能；循環伏安實驗表明其具有良好的可逆性。固相法流程簡單、易於實現工業化，但材料的倍率性能有待改進。 研究發現溶膠凝膠法在製備正極材料時更具優勢，用其取代固相法製備磷酸釩鋰正極材料，探討碳源種類對結構和性能影響的機理。在表面活性劑協助下、高分子碳源酚醛樹脂和聚偏二氟乙烯(PVDF)能有效提高磷酸釩鋰正極的電化學性能，在10C和15C時的放電容量均大於90mAh/g；充放電過程中的極化現象得到了有效控制、電荷轉移電阻低、可逆程度非常高。 深入研究了金屬離子摻雜的影響機制，發現採用溶膠凝膠法、超聲協助分散碳源PVDF、摻雜Ti4+時合成的Li3V(2-4/3x)Tix(PO4)3/C材料性能最佳，摻雜並沒有對晶粒尺寸與形貌產生很大的影響，合適的摻雜量（0.03-0.06）能顯著提高材料的電導率（6.85×10-2S/cm）和鋰離子擴散係數（4.35×10-5cm2/s），改善材料的大電流充放電性能，其在15C的大倍率充放電時能保持100mAh/g的容量，在5C倍率連續充放電50次、放電容量基本上沒有衰減。 本項目系統研究了磷酸釩鋰正極的合成路線、碳包覆、金屬離子摻雜對其結構和電化學性能的機制，獲得了具有較高電導率和鋰離子擴散係數、優異倍率性能與循環性能的磷酸釩鋰正極材料，為商業化生產具有快速充放電能力和大續航能力的動力電池奠定了良好的基礎。
