锂离子电池正极材料LiV3O8的制备及性能研究

Compared with the traditional cathode material of lithium-ion battery such as lithium cobaltate, lithium manganeseate, lithium nickelate, layered LiV3O8 material has the advantages of high specific capacity, good cycle performance and low cost etc. Each mole of LiV3O8 cathode material can embed more than 3 mol of lithium ion, so its specific capacity is about 300 mAh g-1. The LiV3O8 material has excellent structural stability when lithium ion intercalates and deintercalates, and it is promising cathode material for lithium ion batteries. However, LiV3O8 material has the diadvantages of low discharge potential, harsh synthesis conditions, and the electrochemical performance is sensitive to the synthesis method. Therefore, the aim of this study is to prepare LiV3O8 micro/nano materials with good morphology and crystal structure using a combination of hydrothermal and solid phase calcination method. We want to solve the defects such as high temperature, high energy consumption and bad stoichiometric ratio of the target product when prepared using the traditional solid state calcination method. We also want to solve the defects of bad cycle performance when prepared using gel sol method. By adjusting the experimental parameters of hydrothermal reaction and subsequent calcination steps, we want to find the optimal preparation conditions of preparation LiV3O8 with high specific capacity and high cycle stability.

与传统钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂材料相比，层状LiV3O8具有比容量高、循环性能好、成本低等优点；每摩尔LiV3O8正极材料可以嵌入>3摩尔的锂离子，因而其比容量约为300 mAh g-1；在锂离子嵌入和脱嵌时，该材料具有优异的结构稳定性，是前景很好的锂离子电池正极材料。但是，LiV3O8正极材料具有放电电位较低，电化学性能对合成方法比较敏感，对合成条件比较苛刻等缺陷。因此，本研究拟利用水热与固相煅烧相结合的方法，制备形貌和晶型较好的LiV3O8微纳米材料。从而解决传统固相煅烧法制备时煅烧温度高，能耗高，目标产物不能很好的符合化学剂量比的缺陷。拟解决凝胶溶胶法制备时目标产物循环稳定性相对差的缺陷。通过调控水热反应和后续煅烧步骤中的实验参数，找到最优制备条件，制备得到具有高比容量，高循环稳定性的锂离子电池正极LiV3O8材料。

与传统锂离子电池正极材料相比，层状LiV3O8具有比容量高、成本低等优点，其比容量约为300 mAh/g，是前景很好的锂电正极材料。但是，LiV3O8正极材料具有放电电位较低，电化学性能对合成方法比较敏感，对合成条件比较苛刻等缺陷。水热法（溶剂热）与固相煅烧相结合的制备LiV3O8材料的方法，有可能兼具固相煅烧法和水热法的优点。通过调控水热反应（溶剂热反应）和后续煅烧步骤中的实验参数，找到最优制备条件，制备得到具有高比容量，高循环稳定性的锂离子电池正极LiV3O8材料。. 本项目中，我们探索了凝胶溶胶法、水热煅烧结合法后续的煅烧过程中，不同煅烧温度和煅烧时间以及Li/V的化学计量比对所制备的LiV3O8晶型和纯度的影响。凝胶溶胶法制备LiV3O8纳米材料最优煅烧条件为400℃5h，最优锂钒比为1.15:3。水热煅烧结合法制备LiV3O8材料最优煅烧条件为400℃3h，最优锂钒比为1.2:3。在最佳条件下制备的LiV3O8材料纯度相对较高，未发现杂质。本研究解决了不同文献报道的不同煅烧温度和时间造成的混乱，解决了文献制备时经常伴随杂质的问题。研究了添加草酸、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基硫酸钠（SDS）、聚乙二醇（PEG-8000）等添加剂作为调控剂的溶剂热法制备LiV3O8材料的形貌、结构和锂电性能。制备得到了一批乒乓菊形、纳米棒、纳米片、纳米颗粒等形貌的LiV3O8纳米材料。研究了以乙醇为主溶剂，添加油酸（OA）、N, N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃（THF）、聚乙烯比咯烷酮（PVP）水溶液等作为辅助溶剂，使用两元溶剂法制备LiV3O8材料的形貌、结构和性能。. 这些材料首次放电比容量达到220-240 mAh/g左右，循环50次后电池容量仅剩余100-150 mAh/g左右。说明所制备的材料作为锂离子电池正极的性能并不好。不仅循环稳定性不佳，而且首次放电比容量也并没有达到理论值。通过实践，我们认为要充分发挥LiV3O8材料作为锂离子电池正极高容量的优势，单纯的使用LiV3O8材料其锂电性能并不好。而应该在制备钒酸锂材料时，通过参杂的方法，参入其他离子半径的金属元素，提高钒酸锂材料的结构稳定性，从而提高其锂离子电池容量和倍率充放电性能。