【摘 要】
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锂电池在社会经济发展中具备重要作用,但是现有正极材料的固定容量限制了锂/钠电池的广泛发展。玻璃态材料没有固定容量,可以通过改变组分提高容量;同时,无规则网络结构能够适应离子脱出/嵌入造成的自由体积变化,从而提高循环稳定性。此外,玻璃的网络结构的无序性可以容纳更大半径的阳离子,拓宽了电极材料传输离子的选择范围。本文以钒磷体系玻璃为基础,制备了Li F-V2O5-P2O5(LVP)和Na2O-V2O5
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锂电池在社会经济发展中具备重要作用,但是现有正极材料的固定容量限制了锂/钠电池的广泛发展。玻璃态材料没有固定容量,可以通过改变组分提高容量;同时,无规则网络结构能够适应离子脱出/嵌入造成的自由体积变化,从而提高循环稳定性。此外,玻璃的网络结构的无序性可以容纳更大半径的阳离子,拓宽了电极材料传输离子的选择范围。本文以钒磷体系玻璃为基础,制备了Li F-V2O5-P2O5(LVP)和Na2O-V2O5-P2O5(NVP)三元玻璃,评估了样品的电化学活性,验证了钒磷玻璃作为电池正极材料的发展潜力。首先,采用逐点实验法绘制了LVP三元的玻璃形成区。结果表明:玻璃结构中P主要以(PO4)为主,V以(VO4)四面体以及(VO5)三角双锥的形式存在,阴基团之间共顶连接;P-O-V连接增加了玻璃网络连接程度,提高了材料化学稳定性;材料的导电性贡献依次为:Li F,V2O5,P2O5;综合考虑,选择20Li F-20V2O5-60P2O5为基质玻璃,在0-3 V、50 m A/g的测试条件下比容量达到100 m Ah/g。其次,研究了Fe2O3掺杂对玻璃材料电学性能的影响。结果表明:一定量的Fe2O3掺杂可以有效降低材料电荷转移电阻,提高材料电化学性能。在此基础上对正极材料制备工艺进行改进,在玻璃样品制备正极测试样品过程中引入球磨工艺,使得活性物质粒径减小,Li+迁移率增加,倍率性能提高。结合玻璃结构和电性能分析探索了该玻璃态材料的充放电机理,结果表明:该玻璃态正极材料具有嵌入式的充放电机制,而V的价态变化平衡了Li+的脱出/嵌入造成的电荷变化。最后,通过离子取代的方法,制备了含有钠离子的钒磷玻璃,采用逐点实验法绘制了NVP三元玻璃形成区。DSC测试表明,样品具备较好的热稳定性。通过FTIR,XPS分析了材料的微观结构及元素状态,构建了玻璃结构的简易模型。恒流充放电测试结果显示样品具备较好的电化学活性,其中20Na2O-50V2O5-30P2O5具备成为钠电池正极材料的潜力。
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