亚微米级片状LiV3O8锂电池材料的合成及电化学性能研究外文翻译资料

杭杭 州 师 范 大 学 本 科 外 文 翻 译

亚微米级片状LiV₃O₈锂电池材料的合成及电化学性能研究

Synthesis and electrochemical properties of submicron sized sheet-like LiV₃O₈ crystallites for lithium secondary batterie

亚微米级片状LiV₃O₈锂电池材料的合成及电化学性能研究

Dunqiang Wang , Liyun Cao, Jianfeng Huang, Jianpeng Wu

陕西科技大学轻化工助剂化学与技术教育部重点实验室。

摘要： 以LiOH·H₂O，NH₄VO₃和PVP为原料，通过简单加工和微波水热改进的低温固相反应合成了亚微米级片状LiV₃O₈正极材料，发现不含PVP制备的LiV₃O₈微晶的粒径小于PVP制备的LiV₃O₈晶粒，且其电化学性能相对较好。不使用PVP制备的LiV₃O₈微晶在100mAh/g的电流密度下，初始放电容量达到了282.2mAh / g。20次循环后，放电容量保持在228.4 mAh /g，相当于初始值的80.9％。更小的亚微米片状LiV₃O₈微晶会因其电化学性质而缩短Li 离子扩散路径。我们所合成具有良好电化学性质的LiV₃O₈将成为锂二次电池的阴极材料最有希望的候选者。

关键词： LiV₃O₈；锂离子电池； X射线技术； 晶体结构； 电化学性能

1. 介绍

随着现代社会和经济的快速发展，世界面临着能源危机和环境问题。为了解决这个问题，人们正在努力发展可持续的绿色能源。而锂二次电池已被证明是最先进的电化学储能系统，早已用于商用便携式装置，电动车辆（EV）和混合电动车辆（HEV）的各种领域。作为可再充电锂电池潜在的替代阴极材料，层状锂钒酸锂（LiV₃O₈）在过去的二十年中因其出色的性质，如比放电容量高，倍率容量良好，循环寿命长，安全性高，成本低，制备简单而备受关注。

众所周知，制备方法和工艺条件对所得LiV₃O₈的晶体结构和电化学性能有重要影响。现已经开发出合成LiV₃O₈阴极材料的方法有固相合成法[1]，溶胶-凝胶法[2]，微波固相合成法[3]，水热法[4]，燃烧合成法[5] ，冷冻干燥法[6]，火焰喷雾热解法[7]和喷雾热解法[8]等。此外，LiV₃O₈的结构和形态以及粒径对其电化学性质具有重要影响。现有两种主要方法来提高其性能：一种方法是在其结构中掺入金属离子，如Mo [9]，Mn [10]，Ni [11]，Cr [12]和Cu [13]；另一种方式是减小材料粒径至具有规则形态和较少材料团聚的纳米级或亚微米级[14-16]。

在当前的工作中，我们通过简单的处理和由微波水热改进的低温固态反应合成了亚微米级的片状LiV₃O₈微晶。所合成的样品表现出良好的容量和循环稳定性，表明它们有希望成为锂二次电池阴极材料的候选物。

1. 实验

以分析纯的LiOH·H₂O，NH₄VO₃和PVP作为原料， LiOH·H₂O和NH ₄ VO ₃按摩尔计量比Li：V = 1：3的量在去离子水中混合，连续磁力搅拌，然后将所得的淡黄色溶液转移至100mL 的高压反应釜中，高压反应釜在160℃的微波水热系统（Sineo MDS-8，中国）下加热1小时。反应后，高压釜自然冷却至室温，得到无色澄清溶液。将该溶液在80℃的空气中干燥10小时后制得橙色凝胶。将该凝胶粉碎成粉末，然后在空气气氛下于400℃的马弗炉中煅烧10小时。最后，将粉末自然冷却至室温并再次研磨以获得最终产物，称为样品A。样品B的合成方法与样品A相同，区别在于样品B在微波水热之前加入了PVP。

使用X-射线衍射仪（XRD，Rigaku D / max-2000）以2theta;=5-70°的CuKalpha;辐射（lambda;= 0.15418nm）对样品进行晶体结构表征；使用X射线光电子能谱（XPS，VG MK-alpha;）测定样品中钒的氧化态；使用扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-6460）观察样品的形态，粒度及其分布。

下面进行电化学测量，使用N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶剂将样品粉末，乙炔黑和聚偏二氟乙烯（PVDF）粘合剂以80:10:10的重量比混合来制备工作电极，然后将所得浆料均匀地涂在纯铝箔上，接着在80℃下真空干燥24小时。使用锂箔作为对电极， Celgard 2320薄膜用作隔膜，碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）以1：1体积比的1M LiPF₆作为电解质。电池在充满氩气的手套箱中装配，湿度和氧气浓度低于2ppm。 制成电池后使用Land电池测量系统（CT2001A，武汉，中国），在电流密度为100mA / g，电压范围为2.0-4.0V（相对于Li 电池）的条件下，通过恒电流充放电的方法对样品进行电极的容量和循环性能测试。所有的测试均在室温下进行。

1. 结论和讨论

所合成两个样品的XRD图谱如图1所示。两个样品的所有衍射峰都对应上了LiV3O8的典型分层结构。两个样品的模式差异是（100）峰和（-111）峰之间的相对强度。 样品A显示（-111）峰强度高于（100）峰，而样品B显示相反。较低强度的（100）峰意味着较小的晶粒尺寸和较低的LiV3O8结晶度。样品A和B的晶格参数分别计算为a = 6.668 Aring;, b = 3.595Aring;, c = 12.035Aring;和a = 6.671Aring;, b = 3.601 Aring;, c = 12.06Aring;，这与LiV3O8的标准数据一致。样品B在（100）面具有较强的峰，表明其在（100）面具有较强的优先取向或沿（100）面较大的尺寸，这对LiV3O8的电化学性能不利。由于较强的（100）面优先取向导致V₃O₈^-层之间锂离子的扩散路径相对较长[17]。

样品A的XPS谱如图2所示。在517.1,524.9和530.1eV的结合能的峰分别对应于V2p3 / 2，V2p1 / 2和O1s。 前两个峰归属于V₅ [18]，没有观察到其他的钒价态，表明合成的LiV₃O₈的纯度。

样品A、B的SEM图像显示在图3中。可以看出，样品A和B都显示出片状结构。 样品A的晶粒大多由亚微米级的小而薄的片状颗粒组成，宽度为100-500nm，厚度为几十纳米，并且一些微小颗粒为纳米级尺寸。 样品B则由相对较大的颗粒组成，从200nm到2mu;m的尺寸范围广泛分布。样品B的相对较大的粒径可能是PVP分解产生的热量，加速LiV3O8微晶的成核和生长造成的。 众所周知，形貌和粒径对LiV₃O₈的电化学性能有重要影响。 锂离子在LiV₃O₈层之间的嵌入过程是扩散过程。 因此，具有良好分布的较小片状颗粒可缩短锂离子的扩散路径，这将改善材料的比电容和循环性能等电化学性能。

两个样品的初始放电曲线和循环性能如图4所示。很明显，由于与锂离子嵌入/脱嵌的氧化还原反应，两个样品在第一次放电曲线中显示出若干个电压平台。 由样品A制成的电极在100mA / g的电流密度下提供282.2mAh / g的高初始放电容量，而由样品B制成的电极提供269.7mAh / g的初始放电容量（图4a）。样品A和B在的平均电压分别为2.54和2.52V时，分别显示出716Wh / kg和679Wh / kg的能量密度。 这表明样品A的放电容量在20个循环后保持228.4mAh / g，相当于初始值的80.9％（图4b）。 样品B的放电容量降至212.3 mAh / g，保持初始容量的78.7％。 因此，样品A表现出更好的电化学性能，这可归因于样品A具有较低结晶度、较小粒度以及精细尺寸分布的微结构。

1. 总结

综上所述，我们开发了一种简便的采用微波水热改进后的低温固相反应工艺，以LiOHbull;H₂O，NH₄VO₃和PVP为原料合成亚微米级片状LiV₃O₈晶体。 用PVP制备的LiV₃O₈微晶的尺寸大于不用PVP制备的微晶的尺寸。没有PVP的产品表现出更好的电化学性能。 可以预期，如此合成的亚微米级片状LiV₃O₈微晶将有可能是锂二次电池的候选阴极材料。

1. 致谢

感谢国家自然科学基金（编号51102196），陕西省自然科学基金（2010JM6001），陕西省国际科技合作项目（2011kw-11），研究生创新基金，陕西科技大学学报对本研究的支持。

1. 参考文献

[1] Liu YM, Zhou XC, Guo YL. J Power Sources 2008;184:303–7.
[2] Zhou Y, Yue HF, Zhang XY, Deng XY. Solid State Ionics 2008;179:1763–7.
[3] Yang G, Wang G, Hou WH. J Phys Chem B 2005;109:11186–96.
[4] Xu HY, Wang H, Song ZQ, Wang YW, Yan H, Yoshimura M. Electrochim Acta
2004;49:349–53.
[5] Si YC, Jiao LF, Yuan HT, Li HX, Wang YM. J Alloy Comp 2009;486:400–5.
[6] Liu H, Wang Y, Yang W, Zhou H. Electrochim Acta 2011;56:1392–8.
[7] Patey TJ, Ng SH, Buuml;chel R, Tran N, Krumeich F, Wang J, et al. Electrochem SolidState Lett 2008;11:A46–50.
[8] Ju SH, Kang YC. Electrochim Acta 2010;55:6088–92.
[9] Pouchko SV, Ivanov-Schitz AK, Kulova TL, Skundin AM, Turevskaya EP. Solid State
Ion 2002;151:129–40.
[10] Liu L, Jiao LF, Sun JL, Zhao M, Zhang YH, Yuan HT, et al. Solid State Ion 2008;178:
1756–61.
[11] Liu L, Jiao LF, Sun JL, Zhang YH, Zhao M, Yuan HT, et al. Electrochim Acta 2008;53:
7321–5.
[12] Feng Y, Li YL, Hou F. Mater Lett 2009;63:1338–40.
[13] Jiao LF, Li HX, Yuan HT, Wang YM. Mater Lett 2008;62:3937–9.
[14] Cheng C, Li ZH, Zhan XY, Xiao QZ, Lei GT, Zhou XD. Electrochim Acta 2010;55:
4627–31.
[15] Liu H, Wang Y, Wang K, Wang Y, Zhou H. J Power Sources 2009;192:668–73

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 3 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[281236]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word