锂电池负极用复合材料的制备与电化学性能

廖 飞

（海南师范大学，海南 海口 571158）

氧化钒凭借其容量高、资源广泛和成本低廉等优势，被认为是最理想的二次锂离子电池电极材料之一。V3O7·H2O是氧化钒家族中最典型的化合物之一，具有典型的层状晶体结构，是一种非常具有潜力的锂离子电池负极材料[1，2]。

1 实验方案

采用V2O5(AR)为钒源，葡萄糖为还原剂，按1∶0.1的摩尔比在240℃反应1h可以得到V3O7·H2O@C。具体实验步骤如下：①配置0.2mol/L的葡萄糖溶液20ml；②称取0.182g(1mmol)V2O5和0.5ml(0.1mmol)葡萄糖溶液分别置于不同腔体中；③向两个腔体中分别加至5ml去离子水，高温水热反应；④炉温升至240℃后将反应釜拧上旋转轴进行旋转，反应1h；⑤反应结束后自然冷却过滤，80℃真空干燥12h。

2 实验试剂和仪器

2.1 实验试剂

试剂名称 规格 生产厂家无水乙醇 A.R 光华科技股份有限公司氢氧化锂 A.R 光华科技股份有限公司二水合草酸 A.R 国药集团化学试剂有限公司正负极壳 CR2032 河南鼎能电子科技有限公司铝箔 河南鼎能电子科技有限公司乙炔黑 河南鼎能电子科技有限公司电解液 上海中锂实业有限公司

2.2 实验仪器

仪器名称 型号 生产厂家高温水热烘箱 DH411C 重庆雅马拓科技有限公司真空恒温干燥箱 DX402 重庆雅马拓科技有限公司循环水式多用真空泵 SHZ-D 天津市津腾实验设备有限公司磁力搅拌器 WH220 上海人和科学仪器有限公司超声清洗器 KQ5200DB 昆山市超声仪器有限公司

3 数据分析

3.1 物相分析

XRD测试可以精准地确定所得到的产物物相，结合Rietveld法结构精修的手段更可以详细、直观地了解物相的晶体结构。图1为所得到的V3O7·H2O@C晶体结构精修图谱及其晶体结构。

图1 V3O7·H2O@C晶体结构精修图谱及其晶体结构(a)V3O7·H2O晶体结构精修图谱；(b-d)V3O7·H2O晶体结构示意图

3.2 形貌观察

通过电镜观察以确定采用水热高温混合法所得到的V3O7·H2O形貌及碳包覆效果。V3O7·H2O@C的扫描电镜图，从中可以看出它呈细长、柔软的纳米带形状，长度达几十微米，宽为几百纳米，厚度为十几纳米。

综上所述，通过以述物相及形貌分析，本实验采用水热高温混合法成功合成了1D纳米带V3O7·H2O@C。

3.3 电化学性能测试

电解液和活性物质的匹配性及合适的充放电电压范围对于最大程度发挥活性物质的电化学性能起着极为重要的作用。图2(a)选择的电压范围是3.75V～1.5V，分别研究了三种不同电解液[(PC)、(EC+PC)、(EC+DEC)]对V3O7·H2O@C纳米带电化学性能的影响。

可以看到，对于三种不同电解液(PC)、(EC+PC)、(EC+DMC)，电池的首周放电容量分别为90、85和76mAh/g，第2和3次放电容量会发生衰减，这是因为在首周充放电过程中会伴随着电解液的分解和固体电解质膜(SEI膜)的形成，这些副反应会使首周放电比容量很大，但这些副反应在首次充放电时已经基本完成，在接下来的循环中几乎不再发生。

图2 不同电解液及电压范围对V3O7·H2O@C纳米带电化学性能的影响

图2(b)选择的电压范围是3.9V～1.0V，同样分别研究了三种不同电解液[(PC)、(EC+PC)、(EC+DEC)]对V3O7·H2O@C纳米带电化学性能的影响。

综上分析，对于V3O7·H2O@C锂离子电池而言，PC电解液有着更好的匹配性，合理的充放电范围为3.9V～1.0V。

4 总结

实验结果表明通过水热法可以成功实现对氧化钒的碳层包覆，提高氧化钒的结构稳定性，得到性能优异的电极材料。通过控制反应物摩尔比和选择不同电解液进行数据分析后可得到如下结论：①采用水热高温混合法成功合成了纳米带状V3O7·H2O@C锂离子电池电极材料，该种材料具有典型的层状晶体结构，并且具有较大的0.59nm的层间距，有利于锂离子在层间自由运动；②所得到V3O7·H2O@C具有柔软的一维纳米状形貌，可以缩短锂离子扩散距离，缓解锂离子脱嵌所产生的体积变化；③成功在纳米带表面进行了均匀的碳包覆，可以有效提高材料的电导率；④电解液和活性物质的匹配性及合适的充放电电压范围对于最大程度发挥活性物质的电化学性能起着极为重要的作用。对于V3O7·H2O@C锂离子电池而言，PC电解液有着更好的匹配性，合理的充放电范围为3.9V～1.0V。

[1]任慢慢.钒系磷酸盐锂离子二次电池材料的制备与电化学性能研究[D].南开大学,2009.

[2]潘志国.低价钒氧化物复合材料的制备及其电化学性能[D].武汉科技大学,2015.