富含氧缺陷的表面非晶层提升锂离子电池负极材料Li3VO4性能

锂离子电池,作为目前最为成功的清洁、高效能源存储方式之一,已经在消费类电子产品(数码相机、手机、笔记本电脑等)、电动交通工具(如: HEV, PEV等)、智能电网等方面取得了广泛的应用。目前,商品化的负极材料主要是高性能石墨和钛酸锂。尽管它们在锂离子电池的应用取得了显著的成功,但是它们仍然存在各自的缺点。石墨材料的放电电位接近锂离子的析出电位,其放电过程容易形成锂枝晶,造成电池内短路和热失控。而钛酸锂的放电平台则太高,虽然有效地提高了电池的安全性能,却降低了电池的输出电压,而且存储容量也非常有限。最近出现的负极材料钒酸锂(Li3VO4),在保证电池安全性能的同时,可以很好地实现放电平台和放电容量的统一,获得较高的输出电压和存储容量。

与其他的过渡金属氧化物电极材料类似,钒酸锂也存在电子导电性差,锂离子扩散系数低等问题。因此,纳米结构调控(Nanostructure Engineering)和结构碳复合(Structured Carbon Hybridization)等在其他过渡金属氧化物上获得广泛成功地方法也被应用于钒酸锂电极材料,但是这两种策略存在制备方法复杂,合成条件苛刻,原料价格较高等问题。

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表面氧缺陷可以大幅提升Li3VO4的电化学性能

 

最近,山东大学杨剑教授课题组发展了一种简单、有效地提高钒酸锂电化学性能的方法。通过简单的低温真空处理,在钒酸锂颗粒的表面引入自掺杂的非晶层(Li3VO4-δ),即可大幅改善钒酸锂的储锂性能,尤其是首次库伦效率和可逆质量比容量。其可逆容量由200 mA g-1电流密度下循环150圈后Li3VO4的~110 mAh g-1,提升至Li3VO4-δ的~286 mAh g-1。在500 mA g-1电流密度下,循环400圈后由Li3VO4的~ 64 mAh g-1增加至Li3VO4-δ的~247 mAh g-1。对于电极材料结构和电化学性能的分析表明,性能的改善主要来自于自掺杂而产生的非晶层有效地降低电极材料的电荷转移电阻,促进了电荷的传递和转移。该工作的意义在于制备方法简单,而且无需精细地控制材料的粒径和结构,就可以实现电化学性能的改善和提高。更重要的是,它还可以与结构碳复合、纳米结构调控等策略相结合,进一步地提升电极性能。相关结果发表在近期出版的Advanced Science杂志上(Adv. Sci., 2015, DOI: 10.1002/advs.2015000 90)。

相关工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金,山东省杰出青年基金以及山东大学的资助。