磷酸钒锂正极材料的制备和电性能研究

论文总字数：21985字

摘 要

随着社会科技的快速发展，锂离子电池于上世纪90年代初开始得到关注，并且由于锂离子电池高能量密度和持久的循环寿命，已经在电动汽车和大规模的能量存储的应用中快速发展起来。锂过渡金属的磷酸盐Li₃V₂（PO₄）₃很高的可逆容量，很高的操作电压，热力学稳定结构，自然界中丰富，安全等优点而越发被人们关注，有可能成为下一代锂离子电池的正极材料。然目前美中不足的是，较低的电子导电率和较低的离子导电率的等情况制约了磷酸盐在锂离子电池中的应用，人们通过各种办法（包括碳涂层，异构原子掺杂等）解决这些不足，但是以上这些方法因为过程复杂、成本高昂，不太适合应用在大规模的工业生产中。实验中则采用了高效的非整比^[1]含碳Li_3-3xV_{2 x}（PO₄）₃纳米复合材料作为锂离子电池的正极材料的方案，以期提高高倍率下的电化学性能，并且获得了稳定的超高寿命。此外，该制备方法简单，可以很容易的满足大规模工业生产的要求。在本次研究过程中，采用固相反应法，将固体原料混合，利用球磨的工艺合成了Li_3-3xV_{2 x}（PO₄）₃/C复合材料，利用XRD，SEM对材料的微观结构以及形貌进行了分析，并且采用恒电流充放电、循环伏安、电化学阻抗等技术测试了Li_3-3xV_{2 x}（PO₄）₃/C的电化学性能。

关键词： 非整比磷酸钒锂, 正极材料，固相球磨，锂离子电池

PREPARATION AND ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE

OF Li_3-3xV_{2 x}（PO₄ ）₃ CATHODE MATERIALS

SuNinggang 10212120

Abstract

With the development of science and technology in society, in the early 1990s, the lithium-ion batteries have began to get attention. Since the lithium-ion battery have the advantages of high energy and long cycle life, it has received rapidly development in the electric vehicles and large-scale energy storage. The phosphate Li_3-3xV_{2 x}（PO₄）₃/C has high reversible capacity, high operating voltage and stable structure, and it is rich in the nature and safe, so it gets more attention. Thus it has been proposed for the next generation of lithium-ion battery cathode material. The low electronic conductivity and ion conductivity restrict the application of phosphates in lithium-ion battery. Some people adapt a variety of ways (including carbon-coating, heterogeneous atoms doping, etc.) to solve these problems. But these methods were not suitable for applications in large-scale industrial production because of complex process, high cost, etc. We used a strategy that off-stoichiometric Li_3-3xV_{2 x}(PO₄)₃/C as cathode materials for high-performance lithium-ion batteries to hope to improve the high-rate and ultra-long-life performance. Besides, this preparation method is simple, and can easily meet the requirement of large-scale industrial production. In the this thesis, we used the way of solid state reaction to synthesize Li_3-3xV_{2 x}（PO₄）₃/C composite by mixing the solid material, then used ball milling. And we using XRD, SEM and EIS to analyze composite’s properties.

KEY WORD:Li_3-3xV_{2 x}(PO₄)₃/C, Cathode materials, Lithium-ion batteries, Ball milling

目 录

第一章绪论 6

1.1 引言 6

1.2 锂离子电池介绍 7

1.2.1 锂离子电池概述 7

1.2.2 锂离子电池的工作原理 8

1.2.3 锂离子电池正极材料 9

1.3 磷酸钒锂正极材料 11

1.3.1 磷酸钒锂材料的结构 11

1.3.2 磷酸钒锂材料电池的充放电机理 11

1.3.3 磷酸钒锂材料的制备方法 12

1.3.3.1 溶胶-凝胶法 12

1.3.3.2 固相球磨法 13

1.3.3.3 碳热还原法 13

1.3.3.4 水热合成法 13

1.4 本课题的目的与研究意义 14

第二章 实验部分以及表征方法 15

2.1 实验方案的选取 15

2.2 实验原料以及实验仪器 15

2.3 固相球磨法制备磷酸钒锂正极材料 16

2.4 材料结构表征 16

2.4.1 X射线衍射（XRD）分析 17

2.4.2 扫描电子显微分析 17

2.5 电化学性性能分析 17

2.5.1 电极的制备 18

2.5.2 电池的组装 18

2.5.3 充放电测试 19

2.5.4 循环伏安法测试 19

2.5.5 交流阻抗测试 20

第三章 磷酸钒锂正极材料的数据分析 21

3.1 磷酸钒锂正极材料的结构表征 21

3.3 磷酸钒锂正极材料的电化学性能表征 24

第四章 结论与展望 26

4.1 结论 26

4.2 展望 27

致谢 28

参考文献（References） 29

第一章绪论

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