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中国地质大学 新能源材料 指导教师：冯武威 学 生：柳成荫 院 系：材料科学与工程学院 时 间：2013年10月9日 Li1.5V3O8纳米片作为阴极材料制备高性能锂离子电池的合成与性能 摘要 Li1.5V3O8纳米片采用溶胶凝胶制备，通过SEM和TEM观察可以看出制得的样品具有纳米片层结构，宽度为600nm长度为800nm。在130mAg-1和 175 mAg-1电流密度下充放电Li1.5V3O8 纳米片具有高的初始放电比容量分别为260, 204 mAh g-1。在经过100次循环后其放点能力仍可保持在170mAh g-1和100 mAh g-1。高的放电比容量和良好的循环能力归因于Li1.5V3O8纳米片层结构，其为锂离子提供更多的空间，使扩散距离缩短，在活性材料和电解液之间保持接触性良好，以上性质可以证明Li1.5V3O8纳米片层可以作为锂离子电池的负极材料。 在便携式电器和混合动力电动汽车的使用中，充电锂离子电池被认为是最先进的电化学能量存储和转换系统。其中阴极材料对锂离子电池的性能具有决定性的作用。在过去的30年，因为其高比容量，低成本和较好的安全性，Li1+xV3O8作为阴极材料已经被广泛的进行研究。Li1+xV3O8的层状结构由两个基本结构组成VO6正八面体和VO5扭曲的双锥三角体，对于锂离子有两个不同的位置：八面体和四面体，而锂离子通常占据的是八面体的位置，当更多的锂离子插入到基质中时，剩下的锂离子可能进入四面体结构，在八面体位置的锂离子通过与V3O8层之间强的离子键结合，使Li1+xV3O8在插入/拔出过程中具有稳定的晶体结构。尽管其结构优异，但制备方法和加工条件极大的影响了Li1+xV3O8的晶体结构和电化学性能。到目前为止，有许多方法用来制备Li1+xV3O8以提高其容量和稳定性，例如传统的固相合成，喷雾干燥法，水热反应，微波固相合成，溶胶凝胶方法等。此外，Li1+xV3O8的结构、形态和尺寸对其电化学性能也有影响。 最近对于Li1+xV3O8材料的研究主要为纳米结构材料，其具有多种形态，例如纳米棒、纳米管、纳米片、纳米颗粒。这些纳米材料对于锂离子电池性能的提高具有一定的作用，例如因为其具有高的比表面积，扩散距离短和电荷传输，使其具有较高的插入/ 萃取率Li1+xV3O8纳米结构的形状控制仍然具有较大的挑战，这个挑战提供了一个很好的机会用来提高他们的电化学性能。在本篇文章中，首先描述的是从低温，高成本效益，环境友好型方面来合成新型的Li1.5V3O8纳米片层结构。纳米片层结构电极材料显示了好的比容和循环能力，研究了Li1.5V3O8纳米片层的结构、形态和电化学性能，以及电化学性能和微结构之间的关系。 实验 样品制备 Li1.5V3O8纳米片层使用化学纯CH3COOLi·2H2O，NH4VO3和柠檬酸作为原料，通过溶胶凝胶制备。首先，用75ml的蒸馏水通过磁力搅拌溶解NH4VO3，然后加入CH3COOLi·2H2O（Li和V的摩尔比为1:2.4），混合后搅拌几分钟，之后按照化学计量比计入柠檬酸。混合液的颜色从浅橙色慢慢变成了澄清的蓝色。之后在80℃下进行加热直到深蓝色的溶胶形成，随后，在真空干燥箱中用110℃将凝胶进行干燥，至少需要12h。得到的前驱体在空气下用450℃烧结24h，得到Li1.5V3O8。 2.2样品表征 XRD表征用X射线进行，使用的是PANalytical x衍射仪。采用Hitachi的扫描电子显微镜(FE-SEM S-4800)进行形态的表征。通过透射电子显微镜法（TEM）对样品进行表征，使用CR2025进行电化学性能的表征。按照重量混合75%制备的样品，20%炭黑，5%PVDF，在真空中用120℃保温10h。活性材料通常1-2 mg cm-2。电池的组装在充氩手套箱中进行，电解液为1M的LiPF6/EC+DMC，以金属锂作为阳极和Celgard 2325薄片的隔膜。采用LAND CT-2000A测试形同对充放电循环系统性能测试。循环伏安法和电化学阻抗在两个电极纽扣电池的电化学方面进行了调查。 3结果与讨论 3.1结构 图1为Li1.5V3O8的XRD图，衍射峰与单斜晶体Li1.5V3O8（空间群为P21/m，JCPDS 86-2421）相吻合，除了Li1.2V9O22和Li1.5V12O29杂峰。样品为混合相氧化钒材料，其中主要相为Li1.5V3O8。由VO6八面体和VO5扭曲的双锥三角体组成，共用八面体角顶，Li+可以插入这些层间。处于（-111）面的衍射峰显示层结构VOn多面体在（-111）面上有最大的尺寸。与已知的层状Li1.5V3O8（JCPDS 86-2421）不同。这种不同归因于Li1.5V3O8层状纳米结构