鋰離子電池新型鋰釩氧負極材料及其電化學性能

《鋰離子電池新型鋰釩氧負極材料及其電化學性能》是依託華中科技大學，由李會巧擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鋰離子電池新型鋰釩氧負極材料及其電化學性能
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李會巧
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

過去人們對釩系電極材料的研究主要集中在釩氧二元化合物上，且主要將它們用作正極材料。本項目擬在前期工作基礎上將研究範圍從二元釩氧化合物拓展到鋰釩氧三元化合物，研究的目標則從正極材料轉到負極材料上。具體來說，以鋰釩氧三元化合物的合成、表征和電化學性能評價為研究主線，以揭示鋰釩氧的物理化學性質與電化學性能之間的關係為研究導向，通過調節鋰、釩、氧三種元素的配比以及控制合成條件來改變鋰釩氧的化學組成、晶體結構、微觀形貌和物相種類來尋找具有高反應活性、大容量和低反應電位的鋰釩氧三元化合物，結合多尺度、多方位的結構表征及電化學測量手段分析其電化學反應機制，並依據其物理化學性質及電化學行為特點進行性能最佳化，最終開發出具有優良電化學性能的新型釩基鋰離子電池負極材料，同時為鋰釩氧三元化合物的製備以及在鋰離子電池中的套用提供指導和技術借鑑。

結題摘要

本項目意將釩系電極材料從二元氧化物拓展到鋰釩氧三元化合物，並從正極材料拓展到負極材料，期望在Li-V-O三元體系中篩選出具有合適的低電位的化合物來作為鋰離子電池的新型負極材料。利用固相法成功合成了純相的Li3VO4， LiVO3和LiVO2，確定了它們的最佳合成條件，通過電化學性能評價篩選出Li3VO4在三者中具有最好的綜合性能和套用前景。對Li3VO4的電化學機理進行了深入的研究，證實其電極反應是嵌入和脫嵌反應，利用第一原理計算模擬了Li+的嵌入位點以及材料晶體結構隨嵌鋰量的演化過程，獲得了材料的理論嵌鋰量和嵌鋰時對應的體積變化。綜合運用SEM、TEM、XRD、XPS等手段對Li3VO4 的電化學行為進行了系統的研究，發現其庫侖效率低是因為表面生成厚的SEI膜和充放電中的結構變化所導致；其電壓極化是由材料電子導電性差和深度放電時兩相反應的動力學較慢所引起的；其循環中的容量衰減則是由於不斷累積的結構應力和重複的體積膨脹收縮造成的。根據這些研究結果，發展了多種最佳化Li3VO4性能的有效途徑：通過CVD法在其表面引入碳包覆層，提升其電子導電性並保護其表面不與電解液直接接觸，將材料的首次庫侖效率提升了11%，電極導電劑含量從25%下降到5%；通過靜電紡絲法一步製備了納米晶Li3VO4均勻分散在碳介質中的一維納米纖維複合材料，在解決導電性和表面穩定性的基礎上，利用碳介質緩衝材料在嵌鋰/脫鋰時的體積變化，使材料的比容量上升到400mAh/g, 且具有良好的倍率性能；通過Si摻雜製備了具有更高離子導電率的伽馬相Li3VO4，相結構的改變使材料從原來的多步嵌鋰反應轉變為單步的嵌鋰反應，有效改善了材料的循環性能。 項目的實施使我們對Li3VO4三元化合物的反應機理和電化學行為特點有了深入的認識，並發展出多種提升其電化學性能的有效途徑，為其進一步產業套用提供了理論依據和技術方案。相關工作已申請發明專利2項，PCT保護1項，在國際知名期刊上發表SCI論文10篇以上，培養碩士和博士研究生多名。