高性能锂离子电池的正极材料:氧缺陷的五氧化二钒(V2O5)纳米片

AFMhuokaifu锂离子电池由于能量密度高、质量轻、体积小以及环境友好等优点已广泛应用于便携式电子产品、电动汽车和储能电站等新领域。高容量、优异倍率性能和循环稳定性的正极材料是锂电池研究中的重要课题。五氧化二钒(V2O5)是一种典型的层状过渡金属氧化物材料,具有高的比容量和成本低廉等特点,因此有望成为一种理想的正极材料。但是V2O5循环稳定性差、电导率低和锂离子扩散系数低等问题严重限制了它锂离子电池中的应用。

针对V2O5存在的上述问题,香港城市大学朱剑豪教授和华中科技大学武汉光电国家实验室霍开富教授课题组合作开发了一种氧缺陷修饰的V2O5纳米片正极材料。这种V2O5纳米片具有特定的氧缺陷位,在提高活性材料导电性的同时还能促进锂离子的扩散和改善循环稳定性。该研究团队对这种材料的电化学储锂性能及其增强机制进行了深入而详细的研究。

该研究团队首先通过水热法以及后续低温氢气处理制备出具有特定氧缺陷位的V2O5纳米片正极材料。该纳米片结构能有效缩短充放电过程中锂离子扩散路径以及增强电解液和活性材料的接触,有利于提高V2O5的利用率(0.1 A/g电流时首次放电容量高达260 mAh/g,库伦效率高达98.6%)。桥氧缺陷(图中O(II)位置)的引入一方面提高了活性材料的导电性,另一方面提高了锂离子的扩散速率,使得该正极材料具有优异的倍率性能(电流密度从0.1 A/g增加到2 A/g时容量保持率55 %)。另外由于氧缺陷的引入导致活性材料晶体结构处于压应力状态,有利于缓解脱嵌锂过程中体积的变化,因而具有优异的循环稳定性(在200次充放电循环测试中,电池稳定后平均每个循环比容量衰减低于0.05%)。

该工作中提出了低温氢处理氧化钒,构建合适位置氧缺陷的方法具有普适性,在改善其他过渡金属氧化物材料的电化学性能方面具有借鉴意义。相关论文发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201503859)上。