锂离子电池正极材料Li_3V_2(PO_4)_3的制备及性能研究

应用碳热还原法制备了表面碳包覆的Li3V2(PO4)3材料.X射线衍射、红外光谱和透射电镜表征样品的结构及形貌.结果表明,该合成样品为纯相的Li3V2(PO4)3晶体,颗粒尺寸100nm左右.电化学阻抗谱测试表明,该材料在3.0～4.3V电位区间的锂离子扩散系数比它在3.0～4.8V区间的高约3个数量级.另外,前者的电荷转移电阻也明显低于后者.因而,其循环性能也明显优于后者的循环性能.     

快离子导体Li3V2(PO4)3包覆LiFePO4的结构和性能

通过机械活化将快离子导体Li3 V2(PO4)3包覆在LiFePO4 表面, 制备了性能优异的复合正极材料9LiFePO4@Li3 V2(PO4)3. 用XRD, SEM, HRTEM, EDS和电化学测试等手段研究了材料的物理化学性能. 结果表明, 包覆后的材料含有橄榄石结构的LiFePO4、单斜晶系的Li3 V2(PO4)3 和正交晶系的Li3 PO4; LiFePO4颗粒表面包覆了一层Li3 V2(PO4)3, 且部分V3+进入LiFePO4晶格内部, 使其晶格参数减小, 包覆后的LiFePO4的交换电流密度和锂离子扩散系数均提高了1个数量级. 电化学测试结果表明, 包覆后的LiFePO4的倍率性能及循环性能都得到显著改善, 在1C和2C倍率下, 包覆后的LiFePO4的首次放电比容量较包覆前分别提高了34.09%和78.97%, 经150次循环后容量保持率分别提高了27.77%和65.54%; 并且5C时容量为121.379 mA·h/g(包覆前LiFePO4在5C下几乎没有容量), 循环350次后的容量保持率高达94.03%.     

碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料在LiPF6电解液中的表面/界面行为

利用碳热还原法成功制备了碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料。X射线衍射研究表明材料具有纯相单斜结构。高分辨透射电子显微镜观察到材料表面存在5～10 nm的包覆碳层。碳包覆Li3V2(PO4)3材料在3.0～4.3 V电压区间内可提供120 mA.h/g(C/4倍率)、115 mA.h/g(1C倍率)和110 mA.h/g(2C倍率)的可逆容量,并且在循环300次后容量保持率超过97%,显示出良好的应用前景。该材料在充放电循环初期经历了不可逆容量损失。高分辨透射电子显微镜研究表明,该不可逆容量损失来源于材料表面生成的固体电解质中间相(SEI膜),红外光谱分析表明,SEI膜的成份主要包括ROCO2Li和RCO2Li等有机物,以及Li2CO3、LixPFy和LixPOyFz等无机物。表面SEI膜经历初期电化学循环后趋于稳定,从而保证碳包覆Li3V2(PO4)3正极材料优良的电化学性能。     

水系锂离子电池负极材料LiTi_2(PO_4)_3/C的合成与电化学性能

采用Pechini法合成了纳米LiTi2(PO4)3,以聚乙烯醇(PVA)为碳源,探讨了不同碳源分散方式下制备的碳包覆LiTi2(PO4)3电极电化学性能的影响因素.结果表明,纳米LiTi2(PO4)3的电化学性能主要取决于本身晶相的纯度和结晶度,其次为LiTi2(PO4)3颗粒表面碳包覆层的均匀程度.采用旋转蒸发的碳源分散方式制得的纳米LiTi2(PO4)3晶相纯度高,结晶度好,LiTi2(PO4)3颗粒表面碳包覆层均匀,电化学性能最优.4C倍率下首次放电容量达到123mA·h/g,充放电循环200次容量保持率在85%以上.     

不同碳源对Li_3V_2(PO_4)_3/C复合正极材料性能的影响

以甲基纤维素、壳聚糖及葡萄糖分别作为碳源,应用碳热还原法合成正极Li3V2(PO4)3/C复合材料.XRD、SEM等方法分析、表征材料的结构、形貌和电化学性能.结果表明,碳源的选择对产物的比容量、循环寿命和倍率性能等均有较大的影响.以甲基纤维素为碳源制备的单斜Li3V2(PO4)3正极材料具有较好的电化学性能,在3.0～4.5V,0.2C倍率下,其初始容量为130.6mAh·g-1,30次循环后放电比容量仍可达到108mAh·g-1.     

锂离子电池复合正极材料xLiFePO4·yLi3V2(PO4)3的复合机制

以FePO4·xH2O、V2O5、NH4H2PO4和Li2CO3为原料, 以乙二酸为还原剂, 通过湿化学还原-低温热处理方法制备出锂离子复合正极材料xLiFePO4·yLi3V2(PO4)3. X射线衍射(XRD)结果表明, 合成的材料中橄榄石结构的LiFePO4和单斜晶系的Li3V2(PO4)3两相共存; 从复合材料中LiFePO4、Li3V2(PO4)3相对于相同条件下制备的纯相LiFePO4和Li3V2(PO4)3的晶格常数变化以及结合高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、能量散射X射线(EDAX)的结果可以看出, 在复合材料xLiFePO4·yLi3V2(PO4)3中存在部分V和Fe, 分别掺杂在LiFePO4和Li3V2(PO4)3中, 并形成固溶体; X射线光电子能谱(XPS)结果表明, Fe/V在复合材料中的价态与各自在LiFePO4和Li3V2(PO4)3中的价态保持一致, 分别为+2 和+3价. 充放电测试表明, 制备出的复合正极材料电化学性能明显优于单一的LiFePO4和Li3V2(PO4)3; 循环伏安测试表明, 复合正极材料具有优良的脱/嵌锂性能.     

Ti4+离子掺杂对Li3V2(PO4)3晶体结构与性能的影响

采用溶胶凝胶/碳热还原法合成了锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3及其掺Ti化合物Li3-2x(V1-xTix)2-(PO4)3. 电化学测试结果表明, 经Ti4+离子掺杂后材料的充放电性能及循环性能明显提高. 与纯相Li3V2(PO4)3在3.58、3.67和4.08 V出现三个平台相比, 掺杂后材料的前两个平台发生简并且平台趋于模糊的倾斜状态. 这种趋势随掺杂量的增大而增强. 差热分析(DTA)表明掺杂生成了稳定的酌相产物. 采用X射线衍射和Rietveld方法表征了化合物的晶体结构, 结果表明, 三个不同位置Li的不完全占据导致晶体中产生阳离子空穴, 使材料在常温下的离子电导率提高了3个数量级. 锂离子混排提高了样品的电导率和充放电比容量.     

钒改性锂离子电池正极材料LiFe0.5Mn0.5PO4/C 电化学性能

采用高温固相反应,以NH4VO3为钒源合成了化学计量式为(1-x)LiFe0.5Mn0.5PO4-xLi3V2(PO4)3/C(x=0,0.1,0.2,0.25,1)的钒改性磷酸锰铁锂正极材料.电化学测试表明钒改性能明显提高磷酸锰铁锂材料的充放电性能,其中x=0.2时得到的0.8LiFe0.5Mn0.5PO4-0.2Li3V2(PO4)3/C(标记为LFMP-LVP/C)材料电化学性能最好,其0.1C倍率时的放电比容量为141mAh·g-1.X射线衍射(XRD)分析指出LFMP-LVP/C材料的微观结构为橄榄石型LiFe0.5Mn0.5PO4/C和NASICON型Li3V2(PO4)3组成的双相结构.能量色射X射线谱(EDS)分析结果指出,Fe、Mn、V、P元素在所合成材料中的分布非常均匀,表明所制备材料成分的均一性.Li3V2(PO4)3改性使材料的电导率明显提高.LiFe0.5Mn0.5PO4的电导率为1.9×10-8S·cm-1,而LFMP-LVP材料电导率提高到2.7×10-7S·cm-1.与纯Li3V2(PO4)3的电导率(2.3×10-7S·cm-1)相近.电化学测试表明钒改性使LFMP-LVP/C材料充放电过程电极极化明显减小,从而电化学性能得到显著提高.本文工作表明Li3V2(PO4)3改性可成为提高橄榄石型磷酸盐锂离子电池正极材料电化学性能的一种有效方法.     

钒改性锂离子电池正极材料LiFe0.5Mn0.5PO4/C电化学性能

采用高温固相反应,以NH4VO3为钒源合成了化学计量式为(1-x)LiFe0.5Mn0.5PO4-xLi3V2(PO4)3/C (x=0,0.1,0.2,0.25,1)的钒改性磷酸锰铁锂正极材料.电化学测试表明钒改性能明显提高磷酸锰铁锂材料的充放电性能,其中x=0.2时得到的0.8LiFe0.5Mn0.5PO4-0.2Li3V2(PO4)3/C(标记为LFMP-LVP/C)材料电化学性能最好,其0.1C倍率时的放电比容量为141 mAh·g-1.X射线衍射(XRD)分析指出LFMP-LVP/C材料的微观结构为橄榄石型LiFe0.5Mn0.5PO4/C和NASICON型Li3V2(PO4)3组成的双相结构.能量色射X射线谱(EDS)分析结果指出,Fe、Mn、V、P元素在所合成材料中的分布非常均匀,表明所制备材料成分的均一性.Li3V2(PO4)3改性使材料的电导率明显提高.LiFe0.5Mn0.5PO4的电导率为1.9×10-8 S· cm-1,而LFMP-LVP材料电导率提高到2.7×10-7 S·cm-1.与纯Li3V2(PO4)3的电导率(2.3×10-7 S·cm-1)相近.电化学测试表明钒改性使LFMP-LVP/C材料充放电过程电极极化明显减小,从而电化学性能得到显著提高.本文工作表明Li3V2(PO4)3改性可成为提高橄榄石型磷酸盐锂离子电池正极材料电化学性能的一种有效方法.     

Li_3PO_4包覆LiMn_2O_4正极材料的结构表征和电化学性能

采用共沉淀法在尖晶石LiMn2O4颗粒表面包覆Li3PO4.XRD、SEM研究结果表明,包覆后的材料仍为尖晶石结构,粒径均匀.电化学性能测试表明,Li3PO4包覆层的存在,减少了正极材料与电解液的直接接触,抑制了高温下电解液对LiMn2O4材料的侵蚀,从而有效改善了高温下材料的循环性能.在40℃时,包覆样品的比容量衰减率都低于未包覆样品,其中包覆1%Li3PO4的样品的初始比容量为110.4mAh/g,50次循环后比容量为84.1mAh/g.     

碳包覆Li3V2(PO4)3:溶胶-凝胶法合成及性能

利用V₂O₅、LiOH·H₂O、H₂O₂、NH₄H₂PO₄与柠檬酸为原料,通过溶胶-凝胶法合成了碳包覆的Li₃V₂(PO₄)₃复合正极材料。采用XPS、XRD、SEM、TEM、拉曼光谱和电化学方法对材料的性能进行了研究。还研究了其结构与焙烧温度、样品电导率和电化学性能的关系。研究表明复合材料具有空间群为P2₁/n的单斜结构,表面包覆粗糙多孔的碳层。在800 ℃下制备的碳包覆样品的电子导电率高达9.81×10^-5 S·cm^-1,约为高温固相氢气还原法制备的未包覆碳Li₃V₂(PO₄)₃的10000倍。测试结果表明碳包覆Li₃V₂(PO₄)₃的电化学性能远优于未包覆碳的样品。在3.0～4.3 V电压范围内,以0.1C和2C倍率充放电时,碳包覆的Li₃V₂(PO₄)₃具有高比容量(分别为128和109 mAh·g^-1)和优异的循环性能。     

电池正极材料Li3V2(PO4)3/C的水热合成和性能

以LiOH·H2O, NH4VO3, NH4H2PO4 和麦芽糖等为原料, 采用水热法合成了碳包覆的磷酸钒锂化合物, 考察了碳含量对材料电化学性能的影响. 利用XRD, TEM, SEM和恒流充放电测试等手段对产物的结构、 形貌和电化学性能进行表征. 结果表明, 在650℃煅烧的样品为单一纯相的单斜晶体结构. 晶体颗粒分布为100~300 nm, 粒度分散均匀, 分散性良好, 无团聚现象, 且在颗粒表面包覆了一层无定形碳, 这有利于改善材料的导电率. 含碳量为10.23%的样品, 在倍率1.0C的电流密度下, 在3.0~4.3 V电压范围内, 样品的首次放电比容量高达118.8 mA·h/g, 循环15圈后放电比容量为115.1 mA·h/g, 容量保持率为96.88%.     

Mg^2＋掺杂对锂离子正极材料Li3V2（PO4）3的影响

随着市场对锂离子电池(LIB)需求的日趋增长,对电极活性物质的要求也在朝着高能量密度、低成本、安全稳定、环境友好的方向努力,其中正极材料相对负极材料的发展较为缓慢,成为制约LIB发展的瓶颈。NASICON结构的Li3V2(PO4)3属于单斜晶系,相对金属锂具有很高的电势,理论容量高达19     

钼掺杂磷酸钒锂正极材料的制备及其电化学性能研究

以Li2CO3,NH4H2PO4,V2O5和MoO3为原料,柠檬酸为络合剂和碳源,采用溶胶凝胶法制备了锂离子正极材料Li3MoxV2-x(PO4)3/C (x = 0.01, 0.02和0.03). X射线衍射（XRD）表明,合成的材料具有单一的单斜晶系结构,空间群为P21/n. 扫描电镜（SEM）显示Li3Mo0.02V1.98(PO4)3/C具有均一的表面形貌。恒流充放电测试表明,当x = 0.02时,掺杂后的Li3Mo0.02V1.98(PO4)3具有最佳的电化学性能. 在1C倍率下,3.0 ~ 4.3 V电位区间,Li3Mo0.02V1.98(PO4)3/C的首次放电比容量达到122.3 mAh?g-1,循环50周之后,容量没有衰减的迹象;而当x = 0, 0.01和0.03时,首次放电比容量仅分别为117.1 mAh?g-1,115.1 mAh?g-1和116.0 mAh?g-1. 在3C和5C倍率下,样品Li3Mo0.02V1.98 (PO4)3/C仍能保持优异的循环稳定性.     

Li3V2(PO4)3电极过程及其锂离子脱嵌动力学研究(I)

采用溶胶凝胶法合成了Nasicon化合物Li₃V₂(PO₄)₃, 采用X射线衍射(XRD)对产品进行了物相分析. 采用充放电测试, 循环伏安(CV)研究了化合物的电化学性能和锂离子的脱嵌过程, 计算出Li^＋在固相中的扩散系数(10^－8 cm²•s^－1); 采用交流阻抗测试(EIS)研究了Li₃V₂(PO₄)₃的电极过程; 对两种类型的阻抗图谱提出不同等效电路模型并对结果进行了拟合; 研究了Li₃V₂(PO₄)₃电极过程动力学以及新鲜电极界面在充放电过程中的变化特性.     

低温固相反应合成Li3V2(PO4)3正极材料及其性能

利用V₂O₅·nH₂O湿凝胶，LiOH·H₂O，NH₄H₂PO₄和C等作原料，通过低温固相还原反应在550 ℃焙烧12 h制备出Li₃V₂(PO₄)₃正极材料。采用XRD，SEM和电化学测试对Li₃V₂(PO₄)₃样品性能进行研究。XRD研究表明本法所合成的Li₃V₂(PO₄)₃同传统的高温固相反应法所合成的Li₃V₂(PO₄)₃一样同属于单斜晶系结构。SEM测试表明所合成的样品平均粒径大小约为0.5 μm且粒径分布较窄。电化学测试表明以0.2 C的倍率放电时，样品的首次放电容量为130 mAh·g^-1，室温下循环30次后其比容量为124 mAh·g^-1。     

Sol-gel法制备的LiTi2-xMnx(PO4)3@C复合纳米材料及其储锂性能

通过简单的溶胶-凝胶方法成功合成一系列Nasicon型LiTi2-xMnx(PO4)3@C(x=0.02,0.05,0.08和0.1)。掺入异价元素锰增大了LiTi2(PO4)3的晶格参数,从而扩大Li^+的传输通道,并降低了电化学阻抗。同时材料的表面包覆均匀的导电碳层以提高电子的传输速率。所有复合材料通过粉末X射线衍射仪及透射电子显微镜进行表征。LiTi1.92Mn0.08(PO4)3@C作为锂离子电池正极材料表现出最佳的电化学性能。在0.1C倍率下,电池循环150次后放电容量高达145 mAh·g^-1,增大至5C倍率下首次充放电达到132mAh·g^-1。优异的电化学性能可归因于掺杂提高了锂离子扩散系数及包覆碳材料降低了传荷阻抗。