鎂離子電池正極材料釩系氧化物的研究

《鎂離子電池正極材料釩系氧化物的研究》是依託重慶大學，由劉渝萍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鎂離子電池正極材料釩系氧化物的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉渝萍
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

由於能源短缺和環境污染，新型高能二次電池體系成為我國經濟和社會發展的迫切戰略需求。與鋰離子電池相比，鎂離子電池研究時間相當，但發展緩慢。鎂離子在固體正極材料中擴散速度慢是限制鎂離子電池發展的主要原因。因此，本課題擬採用溶膠凝膠法、水熱法、化學沉澱法，構築微/納尺度、高氧化/還原電位、脫嵌鎂離子可逆性高的釩系氧化物，研究製備方法—結構—電化學性能之間的耦合關係，弄清微/納尺度對釩系氧化物脫嵌鎂離子行為的作用機制；結合電極過程動力學和量子化學理論，探究鎂離子在釩系氧化物中擴散係數計算方法，從分子與原子水平上揭示鎂離子在釩系氧化物中的擴散動力學機制。這將有利於掌握鎂離子擴散動力學機制，解決鎂離子在主體中擴散困難問題，構建適合鎂離子擴散的有效通道，推動鎂離子電池的產業發展。

結題摘要

能源短缺和環境污染迫使發展新型高能二次電池。鎂離子電池是一種高體積能量比、安全的綠色二次電池。本項目構建了微納尺度的釩系氧化物正極材料（V2O5和VO2(B)），建立了材料方法製備與電化學性能的關係；採用第一性原理、電測技術研究了釩氧化物的嵌鎂相變過程及鎂離子擴散機制。 （1）五氧化二釩：Mg原子更易於占據由四個V原子組成的四邊形中心附近位置，α-V2O5中嵌鎂電壓範圍為1.89-2.25V；從熱力學角度得出，嵌鎂會導致V2O5發生α→ε→δ相變；從電子結構得出，Mg或Li嵌入會使α-V2O5電子電導率減小；與Li嵌入相似，在α-V2O5中Mg最有可能沿b軸擴散，但能壘較大為1.3eV, 鎂在α-V2O5中嵌脫比Li更難。sol-gel製備的晶體V2O5在1M Mg(ClO4)2中在0.2 mA/cm2的電流密度下，首次放電電壓為2.50 V和2.05 V (vs. Mg)，初始放電比容量為270 mAh/g，每摩爾V2O5嵌入約0.9mol Mg, 高於目前多數文獻報導值，11次充放電循環之後的放電比容量為134 mAh/g，保持率為49.63%。水熱冷凍乾燥製備V2O5•nH2O在大電流500mA/g下，首次放電比容量為76.9mAh/g，對應嵌鎂放電平台為~2.3V，第46個循環，放電容量增加為304.1mAh/g, 高於目前多數文獻報導值。 （2）二氧化釩：VO2(B)有四個嵌入位置，嵌Mg形成能（＜0eV）、電子結構沒有明顯變化，VO2(B)結構熱力學穩定性好；VO2(B)中嵌鎂電壓為0.21～1.72V；當嵌入量x＞0.75時，其晶體體積會發生明顯增大；VO2(B)中鎂與氧之間的共價作用較小，這是鎂在VO2(B)脫嵌可逆性高原因之一；Mg在VO2(B)易沿b軸方向遷移,擴散能壘很小，為0.25eV,鎂在VO2(B)中有較快的擴散動力學行為。我們首次從實驗方面證明了VO2(B)作嵌鎂基質可行性，納米VO2在1M Mg(ClO4)2中在25mA/g下放電，嵌鎂電壓高達2.17V，明顯高於目前多數鎂離子電池正極電壓，首次放電比容量可達391mAh/g，對應著0.61molMg嵌入。與碳納米管、石墨烯複合，會表現出更好的循環穩定性和倍率性能。 總之，納米化是提高α-V2O5儲鎂性能的一個策略。VO2(B)是一種可以快速嵌脫鎂的正極材料基質。