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1、鋰離子電池正極材料——Li-V-O氧化物管慧文11級(jí)2班08110243摘要近年來,鋰離子蓄電池因其優(yōu)異的特性而受到化學(xué)電源界的極大重視。有關(guān)鋰離子蓄電池正極材料的研究大部分集中在過渡金屬嵌鋰氧化合物上。本文對正極材料應(yīng)具備的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及嵌鋰氧化釩系列化合物L(fēng)ixVO2、LixV2O4作了簡單敘述,重點(diǎn)對Li1+xV3O8正極材料的制備方法、結(jié)構(gòu)及近期研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞鋰離子蓄電池;正極材料;鋰釩氧化物；Li1+xV3O8Lithium-ionBatteryCathodeMaterial——L
2、i-V-OOxideGuanhuiwen112classes08110243Abstract:Inrecentyears,lithium-ionbatteriesaredevelopedrapidlybecauseofitsexcellentproperties.Muchattentionispaidtothetransitionalmetaloxidesasthecathodematerialsforlithiumionbatteries.Thestructuresandpropertiesofca
3、thodematerials,suchaslithiatedvanadiumoxidesLixVO2,LixV2O4arebrieflydescribed.EmphasisisfocusedonthepreparationprocessesandstructuresoftheLi1+xV3O8ascathodematerialsforlithiumionrechargeablebatteries.Keywords:lithiumionbattery;cathodematerials;lithiumva
4、nadiumoxide；Li1+xV3O8前言作為鋰離子蓄電池的關(guān)鍵技術(shù)之一,正極材料的研究開發(fā)是至關(guān)重要的。本文介紹了正極材料應(yīng)具有的性質(zhì)及結(jié)構(gòu),對嵌鋰氧化釩LixVO2和LixV2O4作了簡單敘述,重點(diǎn)對嵌鋰氧化釩Li1+xV3O8的制備方法、結(jié)構(gòu)及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評(píng)述。1.正極材料概述發(fā)展高能鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)之一是正極材料的開發(fā),與鋰蓄電池負(fù)極材料的發(fā)展相比較,正極材料的發(fā)展稍顯緩慢。原因在于盡管理論上可以脫嵌鋰的物質(zhì)很多,但要將其制備成能實(shí)際應(yīng)用的材料卻并非易事,制備過程中的微小變化都能
5、導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)乃至性質(zhì)的巨大差異。根據(jù)其工作原理,正極材料在性質(zhì)上一般應(yīng)滿足[1~3]:(1)在所要求的充放電電位范圍內(nèi),具有與電解質(zhì)溶液的電化學(xué)相容性;(2)溫和的電極過程動(dòng)力學(xué);(3)高度可逆性;(4)在全鋰化狀態(tài)下的空氣中穩(wěn)定性好。其結(jié)構(gòu)應(yīng)具有:(1)層狀或隧道結(jié)構(gòu),以利于鋰離子的脫嵌,且在鋰離子脫嵌時(shí)無結(jié)構(gòu)上的變化,以使電極具有良好的充放可逆性;(2)鋰離子在其中盡可能多的嵌入和脫出,以使電極有較高的容量,且在鋰離子嵌脫時(shí),電極反應(yīng)的自由能變化不大,以使電池有較平穩(wěn)的充放電電壓;(3)鋰離子在其
6、中應(yīng)有較大的擴(kuò)散系數(shù),以使電池有較好的快速充放電性能。2.正極活性物鋰釩氧化物在過渡金屬元素中,釩的價(jià)格較鈷、錳等低,且是一個(gè)典型的多價(jià)(如V+2、V+3、V+4和V+5等)金屬元素,這決定了釩的化學(xué)行為十分活躍,可形成多種氧化物,如VO2、V2O5、V6O13、V4O9及V3O7等。這些釩氧化物都具有一定的嵌鋰特性,它不僅能形成層狀嵌鋰化合物L(fēng)ixVO2[4]及Li1+xV3O8[5],又能形成尖晶石型LixV2O4[6]及反尖晶石型LiNiVO4[7]等嵌鋰化合物。表1給出了一些鋰釩氧化物與鋰鈷氧
7、化物等電極材料性能的比較。從表1可以看出,鋰釩氧化物有著較高的比能量,可開發(fā)潛力巨大。從成本和環(huán)保方面考慮,鋰釩氧化物電極材料的開發(fā)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。下面主要介紹這幾種鋰釩氧化物正極材料。2.1LixVO2及LixV2O4層狀化合物L(fēng)ixVO2與LiCoO2、及LiNiO2的結(jié)構(gòu)類似,為α-NaFeO2型扭曲的巖鹽層狀結(jié)構(gòu)。但LixVO2與LiCoO2、LiNiO2的性質(zhì)不同,當(dāng)Li+離子脫嵌時(shí),層狀的LiVO2結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定,在Li1-xVO2中,當(dāng)x<0.3時(shí),約有1/3的釩離子
8、從釩層遷入缺鋰層形成電化學(xué)活性很小的有缺陷的巖鹽結(jié)構(gòu),從而破壞了鋰離子擴(kuò)散用的二維平面,鋰離子嵌入時(shí)不能再生成原有的層狀結(jié)構(gòu)[3,8]。在尖晶石型LixV2O4中,V2O4骨架是一個(gè)有利于Li+離子擴(kuò)散的四面體與八面體共面的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9],氧原子作立方緊密堆積,75%的釩原子交替地位于立方緊密堆積的氧層之間,余下25%的釩原子位于相鄰層,在脫鋰狀態(tài)下,有足夠的釩原子存在每一層中以保持氧原子理想的立方緊密堆積狀態(tài),但與LiVO2類似,尖晶石型化合物L(fēng)i
