锂电池钒-基氧化物正极材料的结构优化及其增强嵌锂行为研究

Because of their high energy density and cyclic stability, lithium ion batteries (LIBs) have been widely used in portable electronic devices, however, their performances still cannot totally fullfill the the request of higher energy density and power capability by hybrid electric vehicles (HEVs). The low capacity of commerical used cathode materials drives people to pursue alternative cathode materials with higher capacity and energy density for LIBs.Vanadium-based oxides have been selected in the project because their capacities are 1-2 times higher than that for LiCoO2 cathode material,and they also have higher energy density. However, their long-term cyclic stability and rate capability still needs further improvement.To conquer the defficiency of low lithium ions diffusion coefficiency and low conductivity,hierarchical hollow-structured vanadium-based oxides and their composites, such as V2O5, LiV3O8 hollow spheres/carbon nanotube composites and V2O5, LiV3O8 nanosheet arrays/graphene composites will be fabricated to enlarge the contact area between electrode materials and electrolyte, shorten the lithium ions diffusion and electron transportation distance,keep the integrity of the structures and improve the conductivity of the electrode materials. Thus enhanced lithium storage capability, such as cyclic stability and rate capability can be expected.

锂离子电池因为能量密度高，循环稳定性好被广泛地应用在便携式的电子器件中，但未能完全满足混合动力汽车等对电源设备高能量密度，大功率的要求。目前锂电池正极材料的容量普遍偏低，因此开发具有大容量，高能量密度的电池正极材料具有重要的意义。本课题选择以钒-基氧化物为研究对象，主要是因为其容量是商业LiCoO2正极材料容量的2-3倍，能量密度也更高。但是钒-基氧化物作为锂电池正极材料，其循环稳定性和倍率性能需要进一步加强。本项目针对钒基氧化物导电性差和锂离子扩散系数低的特点，拟合成具有多级结构钒-基氧化物空心球，以及通过纳米复合，如制备V2O5，LiV3O8空心球/炭纳米管复合材料，钒-基氧化物阵列/石墨烯复合材料等，增加电极材料与电解质的接触面积，缩短锂离子的扩散和电子的传输的距离，提高材料结构的稳定性和改善材料的导电性能，有望获得增强的嵌锂性能，如更好的循环稳定性和倍率性能等。

本项目选择大容量钒基氧化物正极材料为主要研究对象，针对其导电性能差、结构不稳定和锂离子扩散系数低等问题，通过材料尺寸纳米化和纳米复合技术，构筑V2O5中空材料、阵列材料和V2O5/碳复合材料，缩短锂离子的扩散路径和电子传输的距离、减少锂离子嵌入和脱出过程中的体积膨胀、提高电极材料的导电性，从而获得优化的电池性能。本项目主要的研究内容主要分为3个部分：第一部分为空心结构V2O5微纳米球的构筑。研究了无模板法、硬模板法和牺牲模板法制备钒前驱体，经后续氧化处理，得到不同内部结构的中空V2O5微纳米球，如核-壳结构、多层壳结构和完全中空结构等。结果表明：通过空心结构的构筑，电极材料的循环和倍率性能得到较大的提升。第二部分为纳米片材料的制备。采用溶剂热法制备钒前驱体阵列材料和层层堆积的三明治结构，经后续氧化处理，得到V2O5纳米片阵列和三明治结构的V2O5超大超薄纳米片。电池性能表明该结构的纳米片材料具有优越的倍率和循环性能。第三个部分为V2O5/炭复合材料的制备及其电池性能研究。 该部分包括V2O5/石墨烯、V2O5/多孔炭骨架两种复合材料。结果表明V2O5纳米片在石墨烯表面的生长相比于V2O5纳米颗粒在石墨烯表面的复合具有更好的倍率性能和循环稳定性；构建的V2O5/多孔炭骨架复合材料相比于纯相V2O5具有明显的倍率和循环性能优势。